EP4477492A1 - Mittelpufferkupplung für ein schienenfahrzeug und schienenfahrzeug mit einer solchen mittelpufferkupplung - Google Patents

Mittelpufferkupplung für ein schienenfahrzeug und schienenfahrzeug mit einer solchen mittelpufferkupplung Download PDF

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EP4477492A1
EP4477492A1 EP24175785.5A EP24175785A EP4477492A1 EP 4477492 A1 EP4477492 A1 EP 4477492A1 EP 24175785 A EP24175785 A EP 24175785A EP 4477492 A1 EP4477492 A1 EP 4477492A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
control device
actuator
coupling
digital automatic
electric motor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP24175785.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Cheng Liu
Josep CABESTANY PONS
Michael Mathieu
Leonid Pedurjan
Istvan BABOS
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Knorr Bremse Systeme fuer Schienenfahrzeuge GmbH
Original Assignee
Knorr Bremse Systeme fuer Schienenfahrzeuge GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Knorr Bremse Systeme fuer Schienenfahrzeuge GmbH filed Critical Knorr Bremse Systeme fuer Schienenfahrzeuge GmbH
Publication of EP4477492A1 publication Critical patent/EP4477492A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61G—COUPLINGS; DRAUGHT AND BUFFING APPLIANCES
    • B61G3/00—Couplings comprising mating parts of similar shape or form which can be coupled without the use of any additional element or elements
    • B61G3/16—Couplings comprising mating parts of similar shape or form which can be coupled without the use of any additional element or elements with coupling heads rigidly connected by rotatable hook plates or discs and balancing links, the coupling members forming a parallelogram, e.g. "Scharfenberg" type
    • B61G3/20—Control devices, e.g. for uncoupling

Definitions

  • the invention relates to a central buffer coupling of a rail vehicle according to the preamble of claim 1.
  • the invention also relates to a rail vehicle with such a central buffer coupling.
  • DAK Digital Automatic Coupling
  • the Scharfenberg coupling is well known. It is a rigid central buffer coupling.
  • the Scharfenberg coupling principle is used by DAK for passenger trains and is also preferred by DAK for freight trains.
  • the coupling process is purely mechanical and is implemented using a hook disc and spring packs in each coupling head.
  • central buffer couplings are known in passenger transport.
  • Pneumatic actuators or pneumatic cylinders are used to release these couplings.
  • a push rod or the plunger or piston of the cylinder is pushed out using pneumatically provided energy and thus the pressure, and in doing so rotates the hook disk or the core of the Scharfenberg coupling in the releasing direction.
  • Figure 1 a schematic plan view of an internal structure of a center buffer coupling 1 according to the prior art in a release position.
  • the central buffer coupling 1 comprises a housing 1a, a hook disk 2 with a drive section 3 and an output section 4, an eyelet 5 and an actuator 6' with an actuating element 7' designed as a push rod.
  • a pneumatic cylinder is used as an actuator 6'.
  • the push rod as the actuating element 7' of the cylinder or actuator 6' is pushed out by means of pneumatically provided energy and rotates the hook disk 2 about a pivot axis 2a in the releasing direction.
  • a free end of the actuating element 7' of the cylinder contacts the drive section 3 of the hook disk 2 of the Scharfenberg coupling at a contact point 8.
  • the electronic control associated with the actuator 6' is arranged outside the clutch housing in a control device 100'.
  • DE 10 2021 111 207 A1 describes how the principle from pneumatics can be applied via an electro-hydraulic actuator.
  • the force is also built up via pressure, which is generated by the hydraulic operating medium.
  • An electro-hydraulic drive unit uses an electric motor to generate the necessary compression of the operating medium via a hydraulic pump and thus the pressure to move the piston forward.
  • the actuator is able to maintain the force on the piston while maintaining the applied pressure so that the position assumed can be maintained for a longer period of time. In some cases, this is done by continuing to operate the electric motor in order to maintain the pressure built up. After the decoupling process, the piston is moved back again by reducing the pressure.
  • Electromechanical drives for uncoupling a central buffer coupling are currently only installed outside the coupling housing.
  • the main factor here is the size, which does not fit into the tight installation space of the coupling. Accordingly, there are no electronics or electronic systems for controlling the actuator or similar inside the coupling.
  • the object of the invention is to provide an improved central buffer coupling as a digital automatic coupling (DAK), wherein the above-mentioned disadvantages are eliminated or at least significantly reduced and a practical, reliable and also cost-effective solution is provided.
  • DAK digital automatic coupling
  • One inventive idea of this invention is the integration of a complete electromechanical actuator into the clutch housing, especially in the clutch head.
  • a digital automatic coupling of a rail vehicle wherein the digital automatic coupling is a central buffer coupling with a housing and comprises a hook disk with a drive section, an actuator with an actuating element which interacts with the drive section of the hook disk, an electric motor with a motor brake, limit switches and a control device.
  • the actuator is designed as an electromechanical actuator system together with the control device fully or at least partially integrated into the housing of the central buffer coupling.
  • a particular advantage here is that the electromechanical actuator system is installed in the clutch housing together with control electronics, as this minimizes installation effort for cabling and space requirements for a control device.
  • EMC electromagnetic compatibility
  • This digital automatic clutch according to the invention enables cost advantages for manufacturers and operators, since a motor that is as cost-effective as possible, a simple gear stage and other standard components are used.
  • control device is arranged completely or at least partially in a control housing of the actuator. This is advantageous because it eliminates the need for additional short lines, which can be arranged in particular on a circuit board.
  • a further embodiment provides that a first limit switch of the limit switches is assigned to an initial position of the actuator, and that a second Limit switch the limit switch is assigned to an end position or buffer position of the actuator, whereby the first limit switch and the second limit switch are arranged in the control housing of the actuator.
  • Limit switches are cost-effective, high-quality components.
  • a third limit switch of the limit switches is arranged in the housing of the central buffer coupling and acts as a counter-coupling with a contact section of a central buffer coupling to be uncoupled.
  • a third limit switch of the limit switches is arranged in the housing of the central buffer coupling and acts as a counter-coupling with a contact section of a central buffer coupling to be uncoupled.
  • control device has power semiconductors and electronic components which are designed to control the electric motor and the motor brake in a controlled manner. This is advantageous because such power semiconductors are available at low cost with high quality and high performance.
  • control device has the power semiconductors as a control unit for the electric motor in an H-bridge connection, since this is a compact design.
  • control device has at least one control module which is designed to generate PWM signals for controlling the electric motor and/or the motor brake. This results in further advantages, including reducing the starting current and controlling the speed of the electric motor.
  • the at least one control component of the control device is designed as a microcontroller ( ⁇ C), ASIC, FPGA and/or as one or more logic gates.
  • ⁇ C microcontroller
  • ASIC application-specific integrated circuit
  • FPGA field-programmable gate array
  • logic gates logic gates
  • At least one current sensor with an evaluation forms a monitoring device
  • the control device has at least one measuring device for measuring and monitoring the current of the electric motor. This is advantageous because it enables simple monitoring.
  • At least one control module of the control device is designed to monitor the current of the electric motor and to forward evaluation data, as this enables a high level of functionality.
  • control device has electronic means for stabilizing and regulating the voltage supply, for example as a voltage converter, isolation converter, isolation module, various switches, intermediate circuit capacitors, buffer capacitors, etc., in order to adapt the tolerances and levels of the input voltage to the requirements of the electronic and electromechanical hardware in the actuator.
  • This is of great advantage in order to galvanically isolate the areas on the electronic board with higher voltages (e.g. power semiconductors) from the area with lower voltages (e.g. sensors, ASIC/FPGA/microcontrollers), for example with so-called isolator ICs.
  • control device has suitable interference suppression means to maintain radiation resistance and radiation safety within the framework of electromagnetic compatibility (EMC).
  • EMC electromagnetic compatibility
  • Figure 2 shows a schematic plan view of a central buffer coupling 1 according to the invention in the released position.
  • FIG 3 The central buffer coupling 1 according to the invention is Figure 2 shown in a coupling position.
  • the central buffer coupling 1 comprises a housing 1a, a hook disk 2 with a pivot axis 2a, a drive section 3 and an output section 4, an eyelet 5 and an electromechanical actuator 6 with an actuating element 7, a threaded spindle 12, an electric motor 10 and a motor brake 11.
  • the actuating element 7 is designed here as a pressure tube.
  • the electromechanical actuator 6 has a central axis 6a and is designed with a spindle/spindle nut drive.
  • the spindle/spindle nut drive can be a ball screw drive, for example, and is driven by an electric motor 10.
  • the ball screw drive comprises the threaded spindle 12 and a spindle nut 7b that is firmly connected to the actuating element 7.
  • the actuating element 7 and thus the spindle nut 7b are guided in the actuator 6 in a rotationally fixed manner so that they can be displaced longitudinally in a manner not described in more detail.
  • the electric motor 10 has a motor axis 10a and is operatively connected to the threaded spindle 12 via a gear 10b.
  • the gear 10b can be a spur gear, for example.
  • the motor axis 10a and the center axis of the actuator 6 are arranged parallel to one another here.
  • the electric motor 10 is a direct current motor or DC motor as the main drive for uncoupling or releasing the central buffer coupling 1.
  • Such an electric motor 10 is comparatively inexpensive and can be controlled and reversed in a simple manner (for example by relays and/or power semiconductors). This is described in more detail below.
  • the contact point with the contact point 8 has a bearing 9.
  • the bearing 9 is a roller bearing with a roller and is arranged in the drive section 3 of the hook disk 2 so that it can rotate about a bearing axis 9a.
  • This bearing axis 9a runs parallel to the pivot axis 2a of the hook disk 2.
  • the electric motor 7 is coupled to the engine brake 11 and the transmission 11b.
  • the electromechanical actuator 6 functions with the help of the electric motor 10, which converts electrical energy into mechanical energy.
  • the actuator 6 When the actuator 6 is activated, the rotor of the electric motor 10 rotates. This rotary movement is then transmitted to the spindle 12 via the gear 10b. Since the rotating spindle 12 is fixed in the axial direction of the central axis 6a, this results in a feed movement of the spindle nut 7b and thus of the actuating element (pressure pipe) 7, which can introduce the corresponding force via the drive section 3 on the hook disk 2.
  • the actuator 6 can be returned to its original position.
  • the engine brake 11 enables the electric motor 10 to hold a position, such as in the shown release position of the center buffer coupling 1.
  • Figure 3 shows the drive section 3 of the hook disc 2 in a partially sectioned view, in which the bearing 9 is shown is. In the Figure 3 In the coupling position shown, the actuating element 7 is retracted into the actuator 6.
  • the electric motor 7 and the motor brake 11 have a common motor axis 7a, which here runs parallel to the central axis 6 of the ball screw drive.
  • this electromechanical drive unit with the actuator 6 is installed in each coupling head.
  • the limit switches 13, 14 are designed here as mechanical limit switches.
  • a third (mechanical) switch (limit switch 15) can also be used, which detects the removal of a counter coupling (not shown), which is also designed like the central buffer coupling 1, on a so-called trigger module 16 with the third limit switch 15.
  • the central buffer coupling 1 has a control device 100, which is arranged in the actuator 6 in a control housing 6b.
  • the control device 100 comprises, for example, one or more electronic boards, which here in Figure 3 are only indicated.
  • the control housing 6b - like the entire actuator 6 - has a corresponding so-called IP protection level against the ingress of water, dirt and dust.
  • the control device 100 carries out the control of the actuator 6, is also connected to the limit switches 13, 14, 15 via electrical connecting lines and takes into account the signals of the limit switches 13, 14, 15 for controlling the actuator 6.
  • the limit switches 13 and 14 are arranged here within the control housing 6b.
  • control device 100 is connected to a supply line 6c for the electrical voltage supply for the actuator 6 and provides the electrical voltage supply for the limit switches 13, 14, 15, among others.
  • the associated control system is also being developed to match the structure presented here, including the implementation of the buffer position. This is presented and described in more detail in an as yet unpublished application by the applicant as a control concept for an electromechanical actuator for decoupling in a digital automatic coupling (DAK).
  • DAK digital automatic coupling
  • Figure 4 shows a schematic circuit diagram of an exemplary control unit 101 of the actuator 6 of the central buffer coupling 1 according to the invention Figure 2-3 represents.
  • H-bridge which consists of four power semiconductors Q1, Q2, Q3, Q4 (here MOSFET transistors).
  • the H-bridge is connected to a supply voltage via a measuring device 102 in the form of a resistor.
  • Two power semiconductors Q1 and Q2 ("high side") of the H-bridge are connected to the supply voltage Vcc and two power semiconductors Q3 and Q4 ("low side”) are connected to ground/GND.
  • the supply lines of the electric motor 10 (here a direct current (DC) motor) (Vcc and GND or + and -) are in this circuit diagram of the Figure 4 connected to the two nodes A and B.
  • DC direct current
  • the two power semiconductors Q1 and Q4 are activated by means of a PWM signal that is applied to the respective gate contact G1 of Q1 and G4 of Q4 via a respective series resistor R1, R4 (Q2 and Q3 are not controlled), whereby the current flows from the supply voltage Vcc through the measuring device 102, Q1, the motor 10 and Q4 to ground.
  • the motor rotates in this direction of rotation.
  • the respective PWM signal is indicated by symbolic square waves and is generated in the control device 100.
  • Q2 and Q3 For the inverse direction of rotation, Q2 and Q3 must be activated via their gate contacts G2 and G3 (series resistors R2, R3) by means of the PWM signal in order to enable the current flow path from the supply voltage Vcc through the measuring device 102, Q2, the motor 10 and Q3 to ground, while Q1 and Q4 are blocked.
  • the measuring device 102 By means of the measuring device 102 it is possible to measure the current of the electric motor 10 and to monitor it with suitable means of the control device 100.
  • the two power semiconductors Q3 and Q4 are used to enable a short-circuit position of the electric motor 10. During this time, Q1 and Q2 are blocked.
  • the short-circuit position means that the connections of the electric motor 10, which is a direct current motor (DC motor) here, are short-circuited via the switched-through (electrically conductive) drain-source (D-S) paths of the power semiconductors Q3 and Q4. This is also referred to as regenerative braking of the electric motor 10. This allows the electric motor 10 to be blocked at a standstill up to a certain torque that depends on the properties of the electric motor 10.
  • the electric motor 10 here forms a single-phase DC motor, initially only one current sensor is installed as a measuring device 102 in the supply line from Vcc to the drain contacts D of the power semiconductors Q1 and Q2.
  • FIG 5 is a schematic block diagram of an exemplary control device 100 of the central buffer coupling 1 according to the invention according to Figure 2-3 shown.
  • the block diagram shows the schematic structure of the control electronics of the control device 100, which is installed in the control housing of the actuator 6 or in the housing 1a of the center buffer coupling 1.
  • the measuring device 102 In the supply line 6c, in the current path to the control unit 101 with the H-bridge, the measuring device 102 with the current sensor/measuring resistor (see Figure 4 ) arranged.
  • DC-DC converters voltage converter 106, isolation converter 107
  • isolators isolation module 110
  • various switches 104, 105
  • a control module 109 are also provided.
  • the control module 109 is a microcontroller here. ( ⁇ C) or microcomputer.
  • the supply voltage of the control module 109 is via stabilized 48 VDC (switch 105, voltage converter 106, isolation converter 107).
  • control board can also be different, since this essentially depends on the components used in the electrically driven actuator 6, but also on the interfaces to the higher-level control or system.
  • the use of the motor brake 11 to hold the buffer position is also not always necessary depending on the design of the actuator 6, e.g. if a trapezoidal thread spindle with mechanical self-locking is used instead of a ball screw spindle. In this case, the corresponding electrical components associated with the motor brake 11 are no longer required.
  • control module 109 which is a microcontroller here and which queries the sensors and switches, receives the control signals, generates the necessary PWM signals for controlling the electric motor 10 and the motor brake 11 and provides "intelligence" in some error cases.
  • an FPGA or discrete electronic components e.g. ASICs, logic gates
  • the small "intelligence" can, however, limit the evaluation of sensor signals in the coupling head in order to initiate appropriate measures. This may include, for example, forwarding current values from the electric motor 10 for comparison with reference values and storage, as well as warning messages when certain limit values are exceeded.
  • Possible sensors include, for example, speed sensors or position sensors, limit switches, but also current sensors on the supply lines to the electric motor 10, the motor brake 11, etc.
  • power semiconductors and electronic components for generating PWM signals are arranged in order to control the electric motor 10, the motor brake 11, etc. in a controlled manner (among other things, to reduce the starting current, to control the speed).
  • methods for stabilizing and regulating the voltage supply are provided (eg DC-DC converter 106, intermediate circuit capacitors, buffer capacitors) in order to adapt the tolerances and levels of the input voltage to the requirements of the electronic and electromechanical hardware in the actuator 6.
  • the so-called isolator ICs 107, 110 are used.
  • digital isolators that are particularly useful for PWM signals, since these control signals are generated by an ASIC, an FPGA or a microcontroller that are operated with low voltages.
  • they are connected directly to the power semiconductor(s) to control the electric motor 10, the motor brake 11, etc., which is why there must be isolation between the two areas, which can be solved with such ICs for digital isolation.
  • control lines 111 and 111a for the motor brake 11 from the control module 109 via the insulation module 110 to the power semiconductor Q5 on the supply voltage side are mentioned.
  • control lines 112 and 112a for the generator brake of the electric motor 10 from the control module 109 to the ground-side power semiconductors Q3 and Q4 are also insulated by the insulation module 110.
  • Isolation amplifiers (107) are suitable for this purpose in order to achieve this galvanic isolation and at the same time ensure that the original output signal is amplified if necessary.
  • the central buffer coupling 1 has one or more electric motors 10 in order to exert a force on the frog or the hook disk 2 via an operating medium or a mechanical device/connection and thus carry out the uncoupling.
  • safety-relevant components or functional units can be present twice or multiple times to enable redundancy.
  • the control module 109, converter 106 and isolators 107, 110 can be present twice or multiple times to enable redundancy.
  • the control module 109, converter 106 and isolators 107, 110 can be present twice or multiple times to enable redundancy.
  • the control device 100 can also have suitable interference suppression means to comply with the applicable EMC regulations in addition to the shielding properties of the housing 1a of the center buffer coupling 1.
  • gel-like damping elements e.g. Taica GEL Bush
  • rubber buffers e.g. with rubber hardness NK 40, 50 or 55
  • component fixations e.g. with DOWSIL 744 RTV Adhesive Sealant
  • DOWSIL 744 RTV Adhesive Sealant help to "fasten" larger electronic components to the electronic board(s) so that they can have a longer service life.
  • sealing inserts e.g. for MATE-N-LOK from TE Connectivity
  • sealing inserts can be used to make the contacts of the connectors on the electronic board(s) even more "slip-resistant".
  • screw-type connectors can also be used, e.g. D-Sub.
  • a switchable transmission 10b can be used which has an electromechanical switch.
  • a dual-clutch transmission with electrical control is also conceivable.
  • a measuring device 102 with one current sensor two or more can also be used, whereby the designs of the current sensors can be different in the case of two or more.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Connection Of Motors, Electrical Generators, Mechanical Devices, And The Like (AREA)

Abstract

Eine digitale automatische Kupplung eines Schienenfahrzeugs, wobei die digitale automatische Kupplung eine Mittelpufferkupplung (1, 1') mit einem Gehäuse (1a) ist und eine Hakenscheibe (2) mit einem Antriebsabschnitt (3), einen Aktuator (6) mit einem Betätigungselement (7,7'), welches mit dem Antriebsabschnitt (3) der Hakenscheibe (2) in Zusammenwirkung steht, einen Elektromotor (10) mit einer Motorbremse (11), Endschalter (13, 14, 15) und eine Steuereinrichtung (100) umfasst. Der Aktuator (6) ist als ein elektromechanisches Aktuatorsystem gemeinsam mit der Steuereinrichtung (100) in dem Gehäuse (1a) der Mittelpufferkupplung (1) vollständig oder zumindest teilweise integriert.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Mittelpufferkupplung eines Schienenfahrzeugs nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Schienenfahrzeug mit einer solchen Mittelpufferkupplung.
  • Bei der Digitalisierung und Automatisierung im Schienenverkehr spielt die Digitale Automatische Kupplung (DAK) eine bedeutende Rolle. Im Weiteren wird für den Begriff Digitale Automatische Kupplung auch die gebräuchliche Abkürzung "DAK" verwendet.
  • Im Bereich der automatischen Kupplungen für Schienenfahrzeuge ist beispielsweise die Scharfenbergkupplung bekannt. Sie ist eine starre Mittelpufferkupplung.
  • Das Prinzip der Scharfenbergkupplung wird bei der DAK sowohl bei Passagierzügen eingesetzt als auch bei der DAK für Güterzüge präferiert. Der Kupplungsvorgang läuft rein mechanisch ab, er wird über eine Hakenscheibe und Federpakete in jedem Kupplungskopf realisiert.
  • Für den Entkupplungsvorgang jedoch werden Aktuatoren benötigt, die der Federkraft der Federpakete entgegenarbeiten, indem sie die Hakenscheibe in die Lösestellung zurückdrücken. In Passagierzügen werden hierzu in der Regel elektropneumatische Aktuatoren verwendet. Bei Güterzügen ist die Sachlage anders, weshalb eine elektromechanische Lösung präferiert wird.
  • Bei Güterzügen ist die Sachlage anders, weshalb eine elektromechanische Lösung präferiert wird, die rein elektrisch ohne Einsatz eines weiteren Betriebsmediums (z.B. hydraulisch) angetrieben wird. Hierzu muss eine Ansteuerungs- und Diagnoseelektronik vorliegen, um den elektromotorischen Teil zu steuern und die Betriebszustände zu überwachen.
  • Entsprechend dem Stand der Technik sind Mittelpufferkupplungen im Personenverkehr bekannt. Zum Lösen dieser Kupplungen werden pneumatische Aktuatoren bzw. Pneumatik-Zylinder eingesetzt. Eine Druckstange oder der Stößel bzw. der Kolben des Zylinders wird dabei, mittel pneumatisch bereitgestellter Energie und folglich dem Druck, herausgeschoben und dreht dabei die Hakenscheibe bzw. das Herzstück der Scharfenbergkupplung in lösender Richtung.
  • Hierzu zeigt Figur 1 eine schematische Draufsicht eines inneren Aufbaus einer Mittelpufferkupplung 1 nach dem Stand der Technik in einer Lösestellung.
  • Die Mittelpufferkupplung 1 umfasst ein Gehäuse 1a, eine Hakenscheibe 2 mit einem Antriebsabschnitt 3 und einem Abtriebsabschnitt 4, eine Öse 5 und einen Aktuator 6' mit einem als Druckstange ausgebildeten Betätigungselement 7'.
  • Zum Entkuppeln, d.h. Lösen der Kupplung, wird ein pneumatischer Zylinder als Aktuator 6' verwendet. Die Druckstange als Betätigungselement 7' des Zylinders bzw. Aktuators 6' wird dabei, mittel pneumatisch bereitgestellter Energie, herausgeschoben und dreht dabei die Hakenscheibe 2 um eine Schwenkachse 2a in lösender Richtung. Dabei kontaktiert ein freies Ende des Betätigungselementes 7' des Zylinders den Antriebsabschnitt 3 der Hakenscheibe 2 der Scharfenbergkupplung in einem Kontaktpunkt 8.
  • Die zu dem Aktuator 6' gehörige elektronische Steuerung ist außerhalb des Kupplungsgehäuses in einer Steuereinrichtung 100' angeordnet.
  • DE 10 2021 111 207 A1 beschreibt, wie das Prinzip aus der Pneumatik über einen elektro-hydraulischen Aktuator angewendet werden kann. Der Kraftaufbau erfolgt ebenfalls über Druck, welches durch das hydraulische Betriebsmedium erzeugt wird. Ein elektro-hydraulisches Antriebsaggregat erzeugt mittels eines Elektromotors die dafür notwendige Verdichtung des Betriebsmittels über eine hydraulische Pumpe und folglich den Druck, um den Kolben in Vorwärtsbewegung zu versetzen. Der Aktuator ist in der Lage, unter Beibehaltung des aufgewendeten Drucks die Kraft am Kolben so aufrecht zu erhalten, dass die so eingenommene Stellung für längere Zeit bestehen bleiben kann. Unter Umständen geschieht dies durch weiteren Betrieb des Elektromotors, um den aufgebauten Druck entsprechend einzuhalten. Nach dem Entkupplungsvorgang wird der Kolben über Absenken des Drucks wieder zurückgefahren.
  • DE 10 2021 111 206 A1 beschreibt im Prinzip ebenfalls einen elektro-hydraulischen Aktuator, der statt einer Druckstange o.ä. hier einen Gelenkhebel betätigt und zurückzieht, um die Stellung der Hakenscheibe für den Entkupplungsvorgang zu erreichen.
  • In beiden o.g. Fällen wird explizit angegeben, dass jeweils die Steuerungen außerhalb des Kupplungsgehäuses liegen.
  • Elektromechanische Antriebe zur Entkupplung einer Mittelpufferkupplung sind derzeitig nur außerhalb des Kupplungsgehäuses angebracht. Der wesentliche Faktor hierfür ist die Größe, die keinen Platz in dem engen Bauraum der Kupplung findet. Dementsprechend sind auch hier keine Elektroniken oder elektronische Systeme zur Ansteuerung des Aktuators o.ä. innerhalb der Kupplung zu finden.
  • Insbesondere im Bereich Güterverkehr besteht noch Nachholbedarf, da die heutzutage noch üblichen Schraubkupplungen zwischen den Güterwagons sowohl Personal als auch viel Zeit und ebenso viel Aufwand beanspruchen.
  • Dementsprechend besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine verbesserte Mittelpufferkupplung als digitale automatische Kupplung (DAK) zu schaffen, wobei die oben genannten Nachteile behoben oder zumindest in bedeutender Weise reduziert werden und eine praktikable, zuverlässige und auch kostengünstige Lösung bereitgestellt wird.
  • Die Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst.
  • Ein Erfindungsgedanke dieser Erfindung besteht in der Integration eines kompletten elektromechanischen Aktuators in das Kupplungsgehäuse, vor allem im Kupplungskopf.
  • Eine erfindungsgemäße digitale automatische Kupplung eines Schienenfahrzeugs, wobei die digitale automatische Kupplung eine Mittelpufferkupplung mit einem Gehäuse ist und eine Hakenscheibe mit einem Antriebsabschnitt, einen Aktuator mit einem Betätigungselement, welches mit dem Antriebsabschnitt der Hakenscheibe in Zusammenwirkung steht, einen Elektromotor mit einer Motorbremse, Endschalter und eine Steuereinrichtung umfasst. Der Aktuator ist als ein elektromechanisches Aktuatorsystem gemeinsam mit der Steuereinrichtung in dem Gehäuse der Mittelpufferkupplung vollständig oder zumindest teilweise integriert.
  • Ein besonderer Vorteil hierbei ist es, dass das elektromechanische Aktuatorsystem gemeinsam mit einer Steuerungselektronik in das Kupplungsgehäuse eingebaut wird, da auf diese Weise Installationsaufwand für Verkabelung sowie Platzbedarf für eine Steuereinrichtung minimiert werden können.
  • Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass es im Hinblick auf die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) sehr sinnvoll ist, die wesentliche Ansteuerungselektronik für Motor, Motorbremse usw. im Aktuatorgehäuse anzuordnen, da auf diese Weise nicht nur sehr kurze Leitungslängen verwendet werden können, wodurch nur eine geringe Abstrahlenergie möglich ist, sondern das metallische Gehäuse der Mittelpufferkupplung eine gute Abschirmung bietet. Gleichzeitig sind die Möglichkeiten für eine Einstrahlung von Störsignalen erheblich verringert.
  • Dies ist im Vergleich zu einer außerhalb des Gehäuses der Mittelpufferkupplung angeordneten Steuereinrichtung von großem Vorteil, da hier die hierfür benötigen PWM-Ansteuerungssignale eine große Wegstrecke zurücklegen müssten und u.a. entsprechende Interferenzen erzeugen, was geschirmte Verkabelung unumgänglich machen würden. Das kann wiederum Auswirkungen auf Kosten und Bauraum bzw. Integrierbarkeit haben.
  • Mit dieser erfindungsgemäßen digitalen automatischen Kupplung sind Kostenvorteile für Hersteller und Betreiber ermöglicht, da ein möglichst kostengünstiger Motor, eine einfache Getriebestufe, weitere Standardbauteile Anwendung finden.
  • Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind Gegenstände der Unteransprüche.
  • In einer Ausführung ist die Steuereinrichtung vollständig oder zumindest teilweise in einem Steuergehäuse des Aktuators angeordnet ist. Das ist vorteilhaft, da so weitere kurze Leitungen benötigt werden, die insbesondere auf einer Leiterplatte angeordnet sein können.
  • Eine weitere Ausführung sieht vor, dass ein erster Endschalter der Endschalter einer Ausgangsstellung des Aktuators zugeordnet ist, und dass ein zweiter Endschalter der Endschalter einer Endstellung bzw. Pufferstellung des Aktuators zugeordnet ist, wobei der erste Endschalter und der zweite Endschalter in dem Steuergehäuse des Aktuators angeordnet sind. Endschalter sind kostengünstige Bauteile von hoher Qualität.
  • In einer noch weiteren Ausführung ist ein dritter Endschalter der Endschalter in dem Gehäuse der Mittelpufferkupplung angeordnet und wirkt mit einem Kontaktabschnitt einer zu entkuppelnden Mittelpufferkupplung als Gegenkupplung zusammen. Auch hierzu sind vorteilhaft nur kurze Leitungslängen erforderlich.
  • Eine andere Ausführung sieht vor, dass die Steuereinrichtung Leistungshalbleiter und Elektronikkomponenten aufweist, welche dazu ausgebildet sind, den Elektromotor und die Motorbremse geregelt anzusteuern. Dies ist vorteilhaft, da derartige Leistungshalbleiter kostengünstig mit hoher Qualität und großer Leistungsfähigkeit verfügbar sind.
  • Dabei ist es vorteilhaft, dass die Steuereinrichtung die Leistungshalbleiter als Ansteuerungseinheit für den Elektromotor in Zusammenschaltung einer H-Brücke aufweist, da dies ein kompakter Aufbau ist.
  • In einer weiteren Ausführung weist die Steuereinrichtung zumindest einen Steuerbaustein auf, welcher zur Generierung von PWM-Signalen zur Ansteuerung des Elektromotors und/oder der Motorbremse ausgebildet ist. Hierbei ergeben sich weitere Vorteile u.a. zur Verringerung des Anlaufstroms, zur Drehzahlregelung des Elektromotors.
  • In einer Ausführung ist es vorteilhaft, wenn der zumindest eine Steuerbaustein der Steuereinrichtung als ein Mikrocontroller (µC), ASIC, FPGA oder/und als ein oder mehrere Logikgatter ausgebildet ist. Derartige Bauteile sind als hochintegrierte Schaltungen mit minimalem Platzbedarf in hoher Qualität verfügbar und bieten somit eine hohe Funktionalität auf geringstem Raum. Natürlich sind auch weitere derartige Bauteile als zusätzliche oder/und redundante Bauteile möglich.
  • In einer noch weiteren Ausführung bildet mindestens ein Stromsensor mit einer Auswertung eine Überwachung weist die Steuereinrichtung zumindest eine Messeinrichtung zur Messung und Überwachung des Stroms des Elektromotors auf. Dies ist vorteilhaft, da so eine einfache Überwachung ermöglicht werden kann.
  • Dabei ist es von Vorteil, dass der zumindest eine Steuerbaustein der Steuereinrichtung für die Überwachung des Stroms des Elektromotors und zur Weiterleitung von Auswertungsdaten ausgebildet ist, da so eine hohe Funktionalität ermöglicht wird.
  • Eine noch weitere Ausführung sieht vor, dass die Steuereinrichtung elektronische Mittel zur Stabilisierung und Regelung der Spannungsversorgung, beispielsweise als Spannungswandler, Isolationstrennwandler, Isolationsbaustein, diverse Schalter, Zwischenkreiskondensatoren, Pufferkondensatoren etc., aufweist, um die Toleranzen und Pegel aus der Eingangsspannung soweit den Bedürfnissen der elektronischen und elektromechanischen Hardware im Aktuator anzupassen. Dies ist von großem Vorteil, um die Bereiche auf der Elektronikplatine mit höheren Spannungen (z.B. Leistungshalbleiter) vom Bereich mit niedrigeren Spannungen (u.a. Sensorik, ASIC/FPGA/Microcontroller) galvanisch zu isolieren, beispielsweise mit sogenannten Isolator-ICs. Dabei gibt es Digitale Isolatoren, die insbesondere für PWM-Signale sehr sinnvoll sind, da diese Ansteuerungssignale von einem ASIC, einem FPGA oder einem Mikrocontroller generiert werden, die mit niedrigen Spannungen betrieben werden. Jedoch werden sie zur Ansteuerung des Elektromotors, der Motorbremse usw. direkt mit dem/den Leistungshalbleitern verbunden, weshalb eine Isolation zwischen beiden Bereichen stattfinden muss, die mit solchen ICs für Digitalen Isolation gelöst werden können.
  • In einer noch weiteren Ausführung weist die Steuereinrichtung geeignete Entstörmittel zur Einhaltung von Einstrahlfestigkeit und Abstrahlsicherheit im Rahmen der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) auf. Dies ermöglicht den Vorteil, zusätzlich zu der Abschirmung des Gehäuses der Mittelpufferkupplung einen hohen Entstörgrad und eine hohe Einstrahlfestigkeit zu erzielen.
  • Mithilfe einer Prozessautomatisierung mit digitalen automatischen Kupplungen DAK kann ein Güterzug sehr viel effizienter, flexibler und kostengünstiger zusammengestellt werden, was für den Betreiber und auch für den Endkunden nur Vorteile bedeuten. Zudem werden durch die zugweiten digitalen Schnittstellen neue Funktionalitäten in Hinblick auf Diagnose, Wartung und Instandhaltung ermöglicht (Stichwort: Condition-Based und Predictive Maintenance).
  • Die Erfindung schafft zudem folgende Vorteile:
    • Prinzipiell für eine Verwendung mit allen elektrisch betriebenen Aktuatoren im Kupplungskopf bzw. in einer Mittelpufferkupplung für Schienenfahrzeuge denkbar / umsetzbar.
    • Durch Generierung der benötigten PWM-Signale für den Elektromotor und die Motorbremse in unmittelbarer Nähe, d.h. durch kurze Leitungslängen und Gehäuseabschirmungen ergeben sich keine EMV-Problematiken sowohl bei Einstrahlsicherheit als auch bei Ausstrahlsicherheit, daher sind keine abgeschirmten Kabel notwendig.
    • Die Steuereinrichtung kann eine kleine "Intelligenz" enthalten, um Sensoren und Schalter abzufragen, Steuerungssignale entgegenzunehmen, notwendige PWM-Signale für die Ansteuerung des Elektromotors und der Motorbremse generieren und Maßnahmen bei Fehlerfällen treffen.
    • Grundsätzliche Kompatibilität mit DAC4.5 und DAC5.
    • Festigkeit und Widerstandsfähigkeit gegenüber mechanischen Vibrationen und Schocks durch entsprechende Maßnahmen wie z.B. Dämpfungselemente für Anbindung der Elektronikplatine, Bauteilfixierung für größere Komponenten auf der Elektronikplatine, Dichtungselemente für Steckerverbinder, Einsatz von verschraubbaren Steckverbindern (je nach Möglichkeiten)
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben. Die Erfindung ist nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt. Insbesondere sind einzelne Merkmale des nachfolgenden Ausführungsbeispiels nicht nur bei diesem, sondern auch bei anderen Ausführungsbeispielen einsetzbar. Es zeigen:
    • Figur 1
    eine schematische Draufsicht eines inneren Aufbaus einer Mittelpufferkupplung nach dem Stand der Technik;
    Figur 2-3
    schematische Draufsichten und Teilschnittansichten eines inneren Aufbaus eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Mittelpufferkupplung in unterschiedlichen Stellungen;
    Figur 4
    ein schematisches Schaltbild einer beispielhaften Ansteuerungseinheit eines Aktuators der erfindungsgemäßen Mittelpufferkupplung nach Figur 2-3; und
    Figur 5
    ein schematisches Blockschaltbild einer beispielhaften Steuereinrichtung der erfindungsgemäßen Mittelpufferkupplung nach Figur 2-3.
  • Figur 1 ist bereits oben beschrieben.
  • Figur 2 zeigt eine schematische Draufsicht einer erfindungsgemäßen Mittelpufferkupplung 1 in gelöster Stellung.
  • In Figur 3 ist die erfindungsgemäßen Mittelpufferkupplung 1 nach Figur 2 in einer Kupplungsstellung gezeigt.
  • Die Mittelpufferkupplung 1 umfasst ein Gehäuse 1a, eine Hakenscheibe 2 mit einer Schwenkachse 2a, einem Antriebsabschnitt 3 und einem Abtriebsabschnitt 4, eine Öse 5 und einen elektromechanischen Aktuator 6 mit einem Betätigungselement 7, einer Gewindespindel 12, einem Elektromotor 10 und einer Motorbremse 11.
  • Das Betätigungselement 7 ist hier als ein Druckrohr ausgebildet.
  • Der elektromechanische Aktuator 6 weist eine Mittelachse 6a auf und ist mit einem Spindel-/Spindelmuttertrieb ausgebildet. Der Spindel-/Spindelmuttertrieb kann beispielsweise ein Kugelgewindetrieb sein und ist mittels eines Elektromotors 10 angetrieben. Der Kugelgewindetrieb umfasst die Gewindespindel 12 und eine mit dem Betätigungselement 7 fest verbundene Spindelmutter 7b. Das Betätigungselement 7 und somit die Spindelmutter 7b sind verdrehfest in dem Aktuator 6 in nicht näher beschriebener Weise längsverschiebbar geführt.
  • Der Elektromotor 10 weist eine Motorachse 10a auf und steht mit der Gewindespindel 12 über ein Getriebe 10b in Wirkverbindung. Das Getriebe 10b kann z.B. ein Stirnradgetriebe sein. Die Motorachse 10a und die Mittelachse des Aktuators 6 sind hier parallel zueinander angeordnet.
  • Der Elektromotor 10 ist in dem ersten Ausführungsbeispiel ein Gleichstrommotor bzw. DC-Motor als Hauptantrieb zur Entkupplung bzw. zum Lösen der Mittelpufferkupplung 1. Ein solcher Elektromotor 10 ist vergleichsweise kostengünstig und kann auf einfache Art und Weise angesteuert und umgesteuert werden (beispielsweise durch Relais oder/und Leistungshalbleiter). Dies wird unten noch näher beschrieben.
  • Das Betätigungselement 7, welches direkt mit der Spindelmutter 7b des Kugelgewindetriebs verbunden ist, ist hierbei funktional mit dem Betätigungselement 7' (Druckstange) des pneumatischen Zylinders gleich zu setzen (siehe Figur 1).
  • Die Kontaktstelle mit dem Kontaktpunkt 8 weist in diesem Ausführungsbeispiel ein Lager 9 auf. Das Lager 9 ist eine Rollenlagerung mit einer Rolle und ist in dem Antriebsabschnitt 3 der Hakenscheibe 2 um eine Lagerachse 9a verdrehbar angeordnet. Diese Lagerachse 9a verläuft parallel zu der Schwenkachse 2a der Hakenscheibe 2.
  • In dem Kontaktpunkt 8 kontaktiert die Rolle des Lagers 9 einen Druckkopf 7a des Betätigungselementes 7.
  • Der Elektromotor 7 ist mit der Motorbremse 11 und dem Getriebe 11b gekoppelt.
  • Der elektromechanische Aktuator 6 funktioniert mithilfe des Elektromotors 10, welcher elektrische Energie in mechanische umwandelt. Wird der Aktuator 6 angesteuert, kommt es im Elektromotor 10 zu einer rotatorischen Bewegung seines Rotors. Diese Drehbewegung wird weiter über das Getriebe 10b auf die Spindel 12 übertragen. Da die rotierende Spindel 12 in der axialen Richtung der Mittelachse 6a fixiert ist, resultiert daraus eine Vorschubbewegung der Spindelmutter 7b und somit des Betätigungselementes (Druckrohr) 7, das über den Antriebsabschnitt 3 an der Hakenscheibe 2 die entsprechende Kraft einleiten kann.
  • Nach vollständigem Entkuppeln der beiden Züge/Wagons kann der Aktuator 6 in seine Ausgangsstellung zurückgefahren werden.
  • Die Motorbremse 11 ermöglicht es dem Elektromotor 10, eine Position zu halten, wie beispielsweise in der gezeigten Lösestellung der Mittelpufferkupplung 1.
  • Das Lager 9 minimiert die Querkräfte, die auf das Betätigungselement (Druckrohr) 7 wirken, und ist in einer noch nicht veröffentlichten Anmeldung der Anmelderin genauer beschrieben. Figur 3 zeigt hier den Antriebsabschnitt 3 der Hakenscheibe 2 in einer teilgeschnittenen Ansicht, in welcher das Lager 9 verdeutlicht ist. In der in Figur 3 gezeigten Kupplungsstellung ist das Betätigungselement 7 in den Aktuator 6 eingefahren.
  • Der Elektromotor 7 und die Motorbremse 11 weisen eine gemeinsame Motorachse 7a auf, welche hier parallel zu der Mittelachse 6 des Kugelgewindetriebs verläuft.
  • Zusammen mit zwei Schaltern für Anfangs- und Endposition (als Endschalter 13 und 14 bezeichnet) wird diese elektromechanische Antriebseinheit mit dem Aktuator 6 jeweils in jedem Kupplungskopf verbaut. Die Endschalter 13, 14 sind hier als mechanische Endschalter ausgebildet. Ebenso kann ein dritter (mechanischer) Schalter (Endschalter 15) verwendet werden, welcher das Entfernen einer nicht gezeigten Gegenkupplung, die auch wie die Mittelpufferkupplung 1 ausgebildet ist, an einem sogenannten Triggermodul 16 mit dem dritten Endschalter 15 erfasst werden.
  • Es ist natürlich auch möglich, dass weitere Positionen des Betätigungselementes 7, z.B. Zwischenpositionen zwischen der Anfangs- und Endposition, durch weitere Endschalter erfasst werden können.
  • Die Mittelpufferkupplung 1 weist eine Steuereinrichtung 100 auf, welche in dem Aktuator 6 in einem Steuergehäuse 6b angeordnet ist. Die Steuereinrichtung 100 umfasst beispielsweise eine oder mehrere Elektronikplatinen, die hier in Figur 3 nur angedeutet sind. Das Steuergehäuse 6b weist - wie der ganze Aktuator 6 - einen entsprechenden, so genannten IP-Schutzgrad gegen Eindringen von Wasser, Schmutz und Staub auf.
  • Die Steuereinrichtung 100 führt die Steuerung des Aktuators 6 durch, ist zudem mit den Endschaltern 13, 14, 15 über elektrische Anschlussleitungen verbunden und berücksichtigt die Signale der Endschalter 13, 14, 15 zur Steuerung des Aktuators 6. Die Endschalter 13 und 14 sind hier innerhalb des Steuergehäuses 6b angeordnet.
  • Außerdem ist die Steuereinrichtung 100 mit einer Versorgungsleitung 6c für die elektrische Spannungsversorgung für den Aktuator 6 verbunden und stellt die elektrische Spannungsversorgung u.a. für die Endschalter 13, 14, 15 zur Verfügung.
  • Passend zu dem hier vorgestellten Aufbau wird auch die dazugehörige Ansteuerung entwickelt, inklusive der Realisierung der Pufferstellung/-position. Dies ist in einer noch nicht veröffentlichten Anmeldung der Anmelderin als ein Ansteuerungskonzept für einen elektromechanischen Aktuator zur Entkupplung in einer Digitalen Automatischen Kupplung (DAK) vorgestellt und genauer beschrieben.
  • Figur 4 stellt ein schematisches Schaltbild einer beispielhaften Ansteuerungseinheit 101 des Aktuators 6 der erfindungsgemäßen Mittelpufferkupplung 1 nach Figur 2-3 dar.
  • Zur Ansteuerung des Elektromotors 10 wird eine sogenannte H-Brücke verwendet, die aus vier Leistungshalbleitern Q1, Q2, Q3, Q4 (hier MOSFET Transistoren) besteht. Die H-Brücke ist hier über eine Messeinrichtung 102 in Form eines Widerstandes an eine Versorgungsspannung angeschlossen. Von der H-Brücke sind zwei Leistungshalbleiter Q1 und Q2 ("high side") an der Versorgungsspannung Vcc und zwei Leistungshalbleiter Q3 und Q4 ("low side") an Masse/GND angeschlossen.
  • Die Zuleitungen des Elektromotors 10 (hier ein Gleichstrom (DC-) Motor) (Vcc und GND bzw. + und -) sind in diesem Schaltbild der Figur 4 mit den beiden Knoten A und B angeschlossen.
  • In einer Richtung, z.B Vorwärtsrichtung werden die beiden Leistungshalbleiter Q1 und Q4 mittels eines PWM-Signals, das an den jeweiligen Gate-Kontakt G1 von Q1 und G4 von Q4 über einen jeweiligen Vorwiderstand R1, R4 aktiv geschaltet (Q2 und Q3 werden nicht angesteuert), wodurch der Stromfluss von der Versorgungsspannung Vcc durch die Messeinrichtung 102, Q1, den Motor 10 und Q4 nach Masse verläuft. Dabei dreht sich der Motor in dieser Drehrichtung. Das jeweilige PWM-Signal ist durch symbolische Rechteckschwingungen angedeutet und wird in der Steuereinrichtung 100 generiert.
  • Für die inverse Drehrichtung müssen Q2 und Q3 indes über ihre Gate-Kontakte G2 und G3 (Vorwiderstände R2, R3) mittels des PWM-Signals aktiviert werden, um den Stromflusspfad über von der Versorgungsspannung Vcc durch die Messeinrichtung 102, Q2, den Motor 10 und Q3 nach Masse zu ermöglichen, während Q1 und Q4 sperren.
  • Mittels der Messeinrichtung 102 ist es möglich, den Strom des Elektromotors 10 zu messen und mit geeigneten Mitteln der Steuereinrichtung 100 zu überwachen.
  • Um eine Kurzschlussstellung des Elektromotors 10 zu ermöglichen, werden die beiden Leistungshalbleiter Q3 und Q4 verwendet. Währenddessen sind Q1 und Q2 gesperrt. Unter der Kurzschlussstellung ist zu verstehen, dass die Anschlüsse des Elektromotors 10, der hier ein Gleichstrommotor (DC-Motor) ist, über die durchgeschalteten (elektrisch leitenden) Drain-Source-(D-S) Strecken der Leistungshalbleiter Q3 und Q4 kurzgeschlossen werden. Dies wird auch als generatorische Bremsung des Elektromotors 10 bezeichnet. Damit kann der Elektromotor 10 im Stillstand bis zu einem bestimmten Drehmoment, das von den Eigenschaften des Elektromotors 10 abhängt, blockiert werden.
  • Da der Elektromotor 10 hier als DC-Motor einen einphasigen Motor bildet, wird zunächst nur ein Stromsensor als Messeinrichtung 102 in der Zuleitung von Vcc an die Drain-Kontakte D der Leistungshalbleiter Q1 und Q2 eingebaut.
  • In Figur 5 ist ein schematisches Blockschaltbild einer beispielhaften Steuereinrichtung 100 der erfindungsgemäßen Mittelpufferkupplung 1 nach Figur 2-3 gezeigt.
  • Unterschiedliche Leistungsleitungen und Signalleitungen sind zur besseren Unterscheidung durch unterschiedliche Linien dargestellt.
  • Das Blockschaltbild zeigt den schematischen Aufbau der Ansteuerungselektronik der Steuereinrichtung 100, die im Steuergehäuse des Aktuators 6 respektive im Gehäuse 1a der Mittelpufferkupplung 1 verbaut ist.
  • In der Versorgungsleitung 6c ist in dem Strompfad zu der Ansteuerungseinheit 101 mit der H-Brücke die Messeinrichtung 102 mit dem Stromsensor/- messwiderstand (siehe Figur 4) angeordnet.
  • Zusätzlich zu den Leistungshalbleitern Q1, Q2, Q3, Q4 für die Motoransteuerung des Elektromotors 10 sind auch zwei weitere Leistungshalbleiter Q5 und Q6 (MOSFET) für die Ansteuerung der Motorbremse 11 vorhanden. Weiterhin sind DC-DC-Wandler (Spannungswandler 106, Isolationstrennwandler 107), Isolatoren (Isolationsbaustein 110), diverse Schalter (104, 105) sowie ein Steuerbaustein 109 vorgesehen. Der Steuerbaustein 109 ist hier ein Mikrocontroller (µC) bzw. Mikrocomputer. Die Versorgungsspannung des Steuerbausteins 109 erfolgt über stabilisierte 48 VDC (Schalter 105, Spannungswandler 106, Isolationstrennwandler 107).
  • Grundsätzlich kann der genaue Aufbau auf der Steuerplatine auch anders erfolgen, da dies im Wesentlichen von den eingesetzten Komponenten im elektrisch angetriebenen Aktuator 6, aber auch von den Schnittstellen zur übergeordneten Steuerung bzw. System, abhängig ist.
  • Beispielsweise würden bei Einsatz eines 2-phasigen oder 3-phasigen Elektromotors 10 die Anzahl und Typen der Leistungshalbleiter Q1, Q2, Q3, Q4 (MOSFET) geändert, genauso wie die Anzahl von notwendigen Zwischenkreiskondensatoren und verwendeter Stromsensoren. Zudem müssten in dem Fall auch Auswertungselektronikschaltungen für Drehwinkelgeber (z.B, Hall- Sensoren, Resolver) vorhanden sein, um die Motoransteuerung des Elektromotors 10 nach Rotorwinkellage zu realisieren.
  • Auch ist der Einsatz der Motorbremse 11 zum Halten der Pufferposition je nach Auslegung des Aktuators 6 nicht in jedem Fall notwendig, z.B. wenn eine Trapezgewindespindel mit mechanischer Selbsthemmung statt einer Kugelgewindespindel ihre Anwendung findet. Dann werden die entsprechenden elektrischen Komponenten nicht mehr benötigt, die mit der Motorbremse 11 zusammenhängen.
  • Ein weiteres Beispiel betrifft den Steuerbaustein 109, der hier ein Mikrocontroller ist und der die Sensoren und Schalter abfragt, die Steuerungssignale entgegennimmt, die notwendigen PWM-Signale für die Ansteuerung des Elektromotors 10 und der Motorbremse 11 generiert und für eine "Intelligenz" in manchen Fehlerfällen sorgt. Auch hier können stattdessen ein FPGA oder diskrete elektronische Komponenten (z.B. ASICs, Logikgatter) verwendet werden, um eine oder mehrere Funktionen nachzubilden bzw. zu ersetzen. Alternativ bietet es sich auch an, diese "Intelligenz" der übergeordneten Steuerung zu überlassen, sodass nur die reine Ansteuerungselektronik sich im Kupplungskopf der Mittelpufferkupplung 1 befindet, u.a. PWM- Generierung und Leistungshalbleiter Q1-Q6.
  • Je nach Bedarf und Ausbaustufe der Digitalen Automatischen Kupplung (DAC4.5 mit Bedienung am Wagenkasten oder DAC5 mit Ethernet-basiertes Bussystem über den ganzen Zugverband) kann die kleine "Intelligenz" sich jedoch aus sicherheitstechnischen Gründen auf die Auswertung von Sensorsignale im Kupplungskopf beschränken, um entsprechende Maßnahmen einzuleiten. Dazu kann z.B. ein Weiterleiten von Stromwerten des Elektromotors 10 zum Vergleich mit Referenzwerten und Speicherung sowie Warnmeldungen bei Überschreiten von bestimmten Grenzwerten gehören.
  • Zu den möglichen Sensoren gehören beispielsweise Drehzahlgeber bzw. Positionssensoren, Endlagenschalter, aber auch Stromsensoren an den Zuleitungen zum Elektromotor 10, zur Motorbremse 11 etc.
  • Auf der Elektronikplatine im Steuergehäuse 6b bzw. im Gehäuse des Aktuators sind grundsätzlich Leistungshalbleiter und Elektronikkomponenten zur Generierung von PWM-Signalen angeordnet, um den Elektromotor 10, die Motorbremse 11 etc. geregelt anzusteuern (u.a.
    Figure imgb0001
    zur Verringerung des Anlaufstroms, zur Drehzahlregelung). Darüber hinaus sind Methoden zur Stabilisierung und Regelung der Spannungsversorgung vorgesehen, (z.B. DC-DC-Wandler 106, Zwischenkreiskondensatoren, Pufferkondensatoren), um die Toleranzen und Pegel aus der Eingangsspannung soweit den Bedürfnissen der elektronischen und elektromechanischen Hardware im Aktuator 6 anzupassen.
  • Um die Bereiche auf der Elektronikplatine mit höheren Spannungen (z.B. Leistungshalbleiter) vom Bereich mit niedrigeren Spannungen (u.a. Sensorik, ASIC/FPGA/Microcontroller) galvanisch zu isolieren, werden die sogenannten Isolator-ICs 107, 110 eingesetzt. Dabei gibt es Digitale Isolatoren, die insbesondere für PWM-Signale sehr sinnvoll sind, da diese Ansteuerungssignale von einem ASIC, einem FPGA oder einem Mikrocontroller generiert werden, die mit niedrigen Spannungen betrieben werden. Jedoch werden sie zur Ansteuerung des Elektromotors 10, der Motorbremse 11 usw. direkt mit dem/den Leistungshalbleitern verbunden, weshalb eine Isolation zwischen beiden Bereichen stattfinden muss, die mit solchen ICs für Digitalen Isolation gelöst werden können.
  • Als Beispiel dazu seien einerseits die Steuerleitungen 111 und 111a für die Motorbremse 11 vom Steuerbaustein 109 über den Isolationsbaustein 110 zu dem versorgungsspannungsseitigen Leistungshalbleiter Q5 genannt. Andererseits sind auch die Steuerleitungen 112 und 112a für die generatorische Bremse des Elektromotors 10 vom Steuerbaustein 109 zu den masseseitigen Leistungshalbleitern Q3 und Q4 durch den Isolationsbaustein 110 isoliert.
  • Müssen jedoch analoge Signale isoliert zwischen beide Bereichen durchgeschleift werden (z.B. Spannungsausgang eines Shunt-Widerstands zur Strommessung an der Motorzuleitung/Versorgungsleitung 6b), müssen andere Isolatoren eingesetzt werden. Hierfür eignen sich Trennverstärker oder auch Isolation Amplifier (107) genannt, um diese Galvanische Trennung zu bewerkstelligen und zugleich eine Verstärkung des ursprünglichen Ausgangssignals bei Bedarf zu gewährleisten.
  • Grundsätzlich kann das für jeden elektrisch angetriebenen Aktuator 6 gelten, egal ob elektro-pneumatisch, elektro-hydraulisch als auch elektromechanisch. Wichtig ist hierbei, dass die Mittelpufferkupplung 1 einen oder mehrere Elektromotoren 10 aufweist, um über ein Betriebsmedium bzw. eine mechanische Apparatur/ Verbindung eine Kraft auf das Herzstück bzw. die Hakenscheibe 2 auszuüben und somit die Entkupplung auszuführen.
  • Es ist zudem möglich, dass sicherheitsrelevante Bauteile bzw. Funktionseinheiten doppelt oder auch mehrfach vorhanden sein können, um eine Redundanz zu ermöglichen. Z.B. der Steuerbaustein 109, Wandler 106 und Isolatoren 107, 110.
  • Die Steuereinrichtung 100 kann zudem geeignete Entstörmittel zur Einhaltung der geltenden EMV-Vorschriften zusätzlich zu den Abschirmungseigenschaften des Gehäuses 1a der Mittelpufferkupplung 1 aufweisen.
  • Um die Elektronikplatine(n) in der Mittelpufferkupplung 1 vor mechanischen Schocks und Vibrationen im Betrieb und beim Einkuppeln (Stichwort: Kupplungsstoß) zu schützen, können anstatt starrer Befestigungen gelartige Dämpfungselemente (z.B, Taica GEL Bush) zwischen der/den Elektronikplatine/n und der festen Verschraubung herangezogen werden. Eine weitere Möglichkeit ist der Einsatz von Gummipuffern (z.B. mit der Gummihärte NK 40, 50 oder 55), welche zwischen der/den Elektronikplatine/n und dem Gehäuse anstatt bzw. zusätzlich zu den Elektronikplatinen- (PCB-) Abstandshalter/-bolzen eingebaut werden können. Zudem helfen Bauteilfixierungen (z.B. mit DOWSIL 744 RTV Adhesive Sealant), um größere elektronische Komponenten an der/den Elektronikplatine/n zu "befestigen", sodass diese eine längere Lebensdauer aufweisen können. Zudem können durch Dichtungseinsätze (z.B. für MATE-N-LOK von TE Connectivity) die Kontakte der Steckerverbinder auf der/den Elektronikplatine/n nochmals "rutschfester" gemacht werden. Falls der Bauraum ausreichend ist, können auch verschraubbare Steckverbinder eingesetzt werden, z.B. D-Sub. Diese Methoden werden hier zunächst als Möglichkeiten bzw. Vorgriff/Ausblick zur Vollständigkeit angesprochen, und können Gegenstände einer weiteren Erfindung zu diesem Thema bilden.
  • Die erfindungsgemäße Mittelpufferkupplung 1 mit integrierter Steuereinrichtung 100 ermöglicht folgende Vorteile.
    • Prinzipiell für eine Verwendung mit allen elektrisch betriebenen Aktuatoren 6 im Kupplungskopf bzw. in einer Mittelpufferkupplung für Schienenfahrzeuge denkbar / umsetzbar.
    • Durch Generierung der benötigten PWM-Signale für den Elektromotor 10 und die Motorbremse 11 in unmittelbarer Nähe, d.h. kurze Leitungslängen ergeben sich keine EMV-Problematiken sowohl bei Einstrahlsicherheit als auch bei Ausstrahlsicherheit, daher keine geschirmten Kabel notwendig.
    • Die Steuereinrichtung 100 kann eine kleine "Intelligenz" enthalten, um Sensoren und Schalter abzufragen, Steuerungssignale entgegenzunehmen, notwendige PWM-Signale für die Ansteuerung des Elektromotors 10 und der Motorbremse 11 generieren und Maßnahmen bei Fehlerfällen treffen.
    • Grundsätzliche Kompatibilität mit DAC4.5 und DAC5.
    • Festigkeit und Widerstandsfähigkeit gegenüber mechanischen Vibrationen und Schocks durch entsprechende Maßnahmen wie z.B. Dämpfungselemente für Anbindung der Elektronikplatine, Bauteilfixierung für größere Komponenten auf der Elektronikplatine, Dichtungselemente für Steckerverbinder, Einsatz von verschraubbaren Steckverbindern (je nach Möglichkeiten)
  • Die Erfindung ist durch das oben angegebene Ausführungsbeispiel nicht eingeschränkt, sondern im Rahmen der Ansprüche modifizierbar.
  • Es ist z.B. denkbar, dass anstelle eines Umpolens des Elektromotors 10 zur Änderung der Bewegungsrichtung des Betätigungselementes 7 ein umschaltbares Getriebe 10b verwendet werden kann, welches eine elektromechanische Umschaltung aufweist. Auch ein Doppelkupplungsgetriebe mit elektrischer Steuerung ist denkbar.
  • Anstelle einer Messeinrichtung 102 mit einem Stromsensors können auch zwei oder mehrere Anwendung finden, wobei die Ausführungen der Stromsensoren im Fall von zwei und mehr unterschiedlich sein können.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Mittelpufferkupplung
    1a
    Gehäuse
    2
    Hakenscheibe
    2a
    Schwenkachse
    3
    Antriebsabschnitt
    4
    Abtriebsabschnitt
    5
    Öse
    6, 6'
    Aktuator
    6a
    Mittelachse
    6b
    Steuergehäuse
    6c
    Versorgungsleitung
    7, 7'
    Betätigungselement
    7a
    Druckkopf
    7b
    Spindelmutter
    8
    Kontaktpunkt
    9
    Lager
    9a
    Lagerachse
    10
    Elektromotor
    10a
    Motorachse
    10b
    Getriebe
    11
    Motorbremse
    12
    Gewindespindel
    13, 14, 15
    Endschalter
    16
    Triggermodul
    100, 100'
    Steuereinrichtung
    101
    Ansteuerungseinheit
    102
    Messeinrichtung
    103
    Motorbremsansteuerung
    104, 105
    Schalter
    106
    Spannungswandler
    107
    Isolationstrennwandler
    108
    Versorgung
    109
    Steuerbaustein
    110
    Isolationsbaustein
    111, 111a, 112, 112a
    Steuerleitung
    G1, G2, G3, G4
    Steueranschluss
    R1, R2, R3, R4
    Widerstand
    Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, Q6
    Leistungshalbleiter

Claims (12)

  1. Digitale automatische Kupplung eines Schienenfahrzeugs, wobei die digitale automatische Kupplung eine Mittelpufferkupplung (1, 1') mit einem Gehäuse (1a) ist und eine Hakenscheibe (2) mit einem Antriebsabschnitt (3), einen Aktuator (6) mit einem Betätigungselement (7, 7'), welches mit dem Antriebsabschnitt (3) der Hakenscheibe (2) in Zusammenwirkung steht, einen Elektromotor (10) mit einer Motorbremse (11), Endschalter (13, 14, 15) und eine Steuereinrichtung (100) umfasst,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (6) als ein elektromechanisches Aktuatorsystem gemeinsam mit der Steuereinrichtung (100) in dem Gehäuse (1a) der Mittelpufferkupplung (1) vollständig oder zumindest teilweise integriert ist.
  2. Digitale automatische Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (100) vollständig oder zumindest teilweise in einem Steuergehäuse (6b) des Aktuators (6) angeordnet ist.
  3. Digitale automatische Kupplung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Endschalter (13) der Endschalter (13, 14, 15) einer Ausgangsstellung des Aktuators (6) zugeordnet ist, und dass ein zweiter Endschalter (14) der Endschalter (13, 14, 15) einer Endstellung bzw. Pufferstellung des Aktuators (6) zugeordnet ist, wobei der erste Endschalter (13) und der zweite Endschalter (14) in dem Steuergehäuse (6b) des Aktuators (6) angeordnet sind.
  4. Digitale automatische Kupplung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein dritter Endschalter (15) der Endschalter (13, 14, 15) in dem Gehäuse (1a) der Mittelpufferkupplung (1) angeordnet ist und mit einem Kontaktabschnitt (1c) einer zu entkuppelnden Mittelpufferkupplung als Gegenkupplung zusammenwirkt.
  5. Digitale automatische Kupplung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (100) Leistungshalbleiter (Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, Q6) und Elektronikkomponenten aufweist, welche dazu ausgebildet sind, den Elektromotor (10) und die Motorbremse (11) geregelt anzusteuern.
  6. Digitale automatische Kupplung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (100) die Leistungshalbleiter (Q1, Q2, Q3, Q4) als Ansteuerungseinheit (101) für den Elektromotor (10) in Zusammenschaltung einer H-Brücke aufweist.
  7. Digitale automatische Kupplung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (100) zumindest einen Steuerbaustein (109) aufweist, welcher zur Generierung von PWM-Signalen zur Ansteuerung des Elektromotors (10) und/oder der Motorbremse (11) ausgebildet ist.
  8. Digitale automatische Kupplung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Steuerbaustein (109) der Steuereinrichtung (100) als ein Mikrocontroller (µC), ASIC, FPGA oder/und als ein oder mehrere Logikgatter ausgebildet ist.
  9. Digitale automatische Kupplung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (100) zumindest eine Messeinrichtung (102) zur Messung und Überwachung des Stroms des Elektromotors (10) aufweist.
  10. Digitale automatische Kupplung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Steuerbaustein (109) der Steuereinrichtung (100) für die Überwachung des Stroms des Elektromotors (10) und zur Weiterleitung von Auswertungsdaten ausgebildet ist.
  11. Digitale automatische Kupplung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (100) elektronische Mittel zur Stabilisierung und Regelung der Spannungsversorgung, beispielsweise als Spannungswandler (106), Isolationstrennwandler (107), Isolationsbaustein (110), diverse Schalter (104, 105), Zwischenkreiskondensatoren, Pufferkondensatoren etc., aufweist, um die Toleranzen und Pegel aus der Eingangsspannung soweit den Bedürfnissen der elektronischen und elektromechanischen Hardware im Aktuator (6) anzupassen.
  12. Digitale automatische Kupplung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (100) geeignete Entstörmittel zur Einhaltung von Einstrahlfestigkeit und Abstrahlsicherheit im Rahmen der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) aufweist
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