ES2876024T3 - Dispositivo de frenado y procedimiento para el frenado uniforme - Google Patents

Abstract

Dispositivo de frenado (1) para un vehículo ferroviario, que comprende un actuador de freno (5) y una patilla de freno (6) que se puede mover a través del mismo, así como, un disco de freno (7) que interactúa con el mismo y que está conectado de manera rotacionalmente fija con una rueda (8) para la generación de una fuerza de frenado que desacelera el vehículo ferroviario ante una solicitud de frenado de una unidad de control electrónica (2); en donde la fuerza de frenado surge en función de la fuerza normal (16) generada por la presión de la pastilla de freno (6) sobre el disco de freno (7), y de un valor de fricción dependiente de la velocidad relativa (17), del material (12; 13) y de la temperatura de la pastilla de freno y del disco de freno; en donde en la unidad de control (2) está almacenada al menos una curva de parámetro de frenado, que está basada en una curva de valor de fricción (15), que surge al frenar desde una velocidad inicial a una velocidad objetivo a fuerza normal constante (16) y una combinación de parámetros del banco de pruebas (14); y en donde la unidad de control (2) dispone de una unidad informática (3) que, en respuesta a una solicitud de frenado, modula cronológicamente la curva de fuerza normal (22) de acuerdo con la, al menos una, curva de parámetro de frenado para generar una curva de fuerza de frenado objetivo; caracterizado porque la curva del parámetro de frenado se asocia a una combinación de parámetros del banco de prueba; en donde la curva de parámetro de frenado está almacenada como una entrada en una matriz del banco de prueba n-dimensional (14); y en donde cada entrada de la matriz del banco de prueba consiste en una curva de parámetro de frenado y cada entrada está asociada a una combinación de n parámetros del banco de pruebas.

Description

DESCRIPCIÓN

Dispositivo de frenado y procedimiento para el frenado uniforme

La presente invención hace referencia a un dispositivo de frenado para un vehículo ferroviario, que comprende un actuador de freno y una patilla de freno que se puede mover a través del mismo, así como, un disco de freno que interactúa con el mismo y que está conectado de manera rotacionalmente fija con una rueda para la generación de una fuerza de frenado que desacelera el vehículo ferroviario ante una solicitud de frenado de una unidad de control electrónica; en donde la fuerza de frenado surge en función de la fuerza normal generada por la presión de la pastilla de freno sobre el disco de freno, y de un valor de fricción que depende de la velocidad relativa, del material y de la temperatura de la pastilla de freno y del disco de freno.

La presente invención también hace referencia a un procedimiento para proporcionar un dispositivo de frenado conforme a la invención, así como, a un procedimiento para su funcionamiento.

El campo de aplicación de la invención se extiende a los vehículos ferroviarios en los cuales las operaciones de frenado se realizan mediante un actuador que presiona una pastilla de freno contra un disco de freno que, por ejemplo, está fijado a una rueda o al eje de la rueda. El actuador ejerce así directamente una fuerza normal, es decir, una fuerza perpendicular a la superficie del disco de freno, que, sin embargo, se convierte en fuerza de frenado por la fricción entre la pastilla de freno y el disco de freno. El así denominado como valor de fricción media entre la fuerza normal y la fuerza de frenado. Un valor de fricción más alto da como resultado una mayor fuerza de frenado.

Resulta deseable poder hacer predicciones sobre el comportamiento de frenado de un vehículo ferroviario que sean lo más precisas posible, o permitir que el frenado de un vehículo ferroviario funcione de la manera más controlada posible. En particular, existen normativas que definen, por ejemplo, la máxima aceleración de frenado de los trenes de pasajeros. Dado que el medio que se controla para frenar es la pastilla de freno, y en particular la fuerza normal de la pastilla de freno se proporciona sobre el disco de freno, es deseable hacer declaraciones sobre el valor de fricción de un freno que consta de una pastilla de freno y de un disco de freno.

Para frenar un vehículo ferroviario, en el estado del arte conocido en general, un conductor del tren especifica una presión de control y la controla mediante un dispositivo de accionamiento para dar inicio a un proceso de frenado. De esta manera se genera una fuerza normal mediante un actuador accionado, por ejemplo, neumática o hidráulica o electromecánicamente, mediante el cual una pastilla de freno se presiona sobre un disco de freno conectado de manera rotacionalmente fija a una rueda. A través de un valor de fricción se proporciona una fuerza de frenado que tiene un efecto de frenado sobre esta rueda. La fuerza de frenado máxima también depende de un cociente entre el tamaño del disco de freno y el tamaño de la rueda. En particular, los modelos que se utilizan en los dispositivos de frenado convencionales del estado del arte se basan en un valor de fricción constante a lo largo del tiempo. Por lo general, dicho valor se encuentra, por ejemplo, entre 0,3 y 0,4.

La solicitud WO 2010/069520 A2 revela un sistema de frenado de un vehículo ferroviario en el cual a través de un sistema de sensores adicionales se realizan diversas mediciones en la rueda o juego de ruedas del vehículo ferroviario para el control de un proceso de frenado uniforme. La principal desventaja aquí consiste en el sistema de sensores adicional que se debe acoplar a dicho tren y evaluar.

La solicitud WO 2013/034693 A2 revela un dispositivo de control para un sistema de frenado de un vehículo ferroviario en el cual, entre otros, se utilizan sensores de fuerza de frenado para el control del proceso de frenado. En este caso, la desventaja consiste en los sensores adicionales ubicados cerca de las partes giratorias y también en el balastro de vía, así como, en otras influencias ambientales como, por ejemplo, los efectos de la temperatura del disco de freno o las ruedas que no se consideran.

La solicitud US2011/0029213 A1 revela un dispositivo de frenado según el concepto general de la reivindicación 1. El objeto de la presente invención consiste en crear un dispositivo de frenado de un vehículo ferroviario que permita una curva de fuerza de frenado uniforme con costes mínimos de sensores.

Dicho objeto se resuelve en base a un dispositivo de frenado de acuerdo con el concepto general de la reivindicación 1, en relación con sus características identificativas. Las reivindicaciones relacionadas subsiguiente presentan perfeccionamientos preferidos de la invención. En las reivindicaciones 9 y 10 se presentan dos procedimientos relacionados con la invención.

La invención incluye el principio técnico de que en la unidad de control esté almacenada al menos una curva de parámetro de frenado, que está basada en una curva de valor de fricción, que surge al frenar desde una velocidad inicial a una velocidad objetivo a fuerza normal constante y una combinación de parámetros del banco de pruebas; y que la unidad de control disponga de una unidad informática que, en respuesta a una solicitud de frenado, modula cronológicamente la curva de fuerza normal de acuerdo con la, al menos una, curva de parámetro de frenado para generar una curva de fuerza de frenado objetivo.

En un caso especial preferido, la velocidad objetivo es igual a cero. Esto corresponde al caso frecuente de frenado de emergencia o frenado rápido.

La ventaja del dispositivo de frenado conforme a la invención consiste, en particular, en que la modulación de la fuerza normal no realiza en base a los datos adquiridos por los sensores al mismo tiempo o durante el viaje, sino principalmente en base a las curvas de valor de fricción definidas previamente registradas, por ejemplo, en un banco de prueba, tal como un banco de pruebas de volante de inercia. Por ejemplo, la curva de valor de fricción de la pastilla de freno y del disco de freno de un modelo correspondiente al vehículo ferroviario se puede haber registrado previamente en un banco de prueba, y dicha curva del valor de fricción puede haber sido almacenado en la unidad de control. Entonces resulta posible durante el funcionamiento, es decir, fuera del banco de prueba, compensar las variaciones en el valor de fricción, que surgen, por ejemplo, del calentamiento de la pastilla o del disco de freno o de otros efectos, modulando, por ejemplo, la fuerza normal del actuador que acciona la pastilla de freno en la dirección opuesta. De acuerdo con una medida que mejora la invención, la curva de parámetro de frenado basada en la curva de valor de fricción corresponde a la curva calculada de la fuerza normal que debe provocar el actuador para generar la curva de fuerza de frenado deseada. De manera alternativa, y además preferida, también es posible que la curva del valor de fricción en sí se almacene en la unidad de control, de tal modo que la unidad informática electrónica de la unidad de control pueda calcular o estimar la fuerza normal necesaria durante el funcionamiento utilizando la curva de valor de fricción almacenada.

De acuerdo con una forma de ejecución ventajosa de la invención, la curva de la fuerza de frenado objetivo es en gran parte constante a lo largo del tiempo. Esto permite que sea particularmente sencillo cumplir, por ejemplo, con las regulaciones legales. En particular, cuando se supone una utilización ideal del valor de adherencia, es decir, un movimiento sin deslizamiento de las ruedas sobre el riel, esto también da como resultado una aceleración de frenado o una desaceleración de frenado del tren o del vehículo ferroviario constante en el tiempo.

La presente invención prevé que la curva de parámetro de frenado esté asociada a una combinación de parámetros del banco de prueba. La ventaja aquí consiste en que la asociación permite la selección de una curva de parámetro de frenado especificando los parámetros del banco de prueba asignados a la respectiva curva. Por ejemplo, dicha asociación se puede haber establecido en pruebas en un banco de prueba o a través de simulaciones numéricas. De acuerdo con la invención, la curva de parámetro de frenado está almacenada como una entrada en una matriz de banco de prueba n-dimensional; en donde cada entrada de la matriz del banco de prueba consta de una curva de parámetros de frenado, y cada entrada está asociada a una combinación de n-parámetros del banco de prueba. De esta manera, durante la marcha, por ejemplo, los parámetros que se utilizaron en el banco de prueba que se acercan más a los parámetros del momento, es decir, los que se presentan durante la marcha, se pueden seleccionar para seleccionar así una entrada adecuada de la matriz del banco de prueba. En función de dicha entrada, que consiste en una curva de parámetros de frenado que contiene, por ejemplo, la fuerza normal o el valor de frenado, se puede iniciar una modulación correspondiente de la fuerza normal, mediante la cual se puede generar la curva de fuerza de frenado deseada. Cada dimensión de esta matriz de banco de prueba se puede relacionar con una gradación discreta de un valor continuo, tal como una velocidad inicial, o también con algunos parámetros discretos, tal como, por ejemplo, el material de la pastilla de freno o el material del disco de freno.

Un perfeccionamiento ventajoso de la invención prevé que la unidad informática interpole y/o extrapole entre las entradas en la matriz para la modulación de la fuerza normal. Por tanto, es posible que, cuando se va a seleccionar una curva de parámetros de frenado para una combinación de parámetros que no se han almacenado de manera exacta explícitamente así en la matriz del banco de prueba, mediante interpolación se pueda, no obstante, calcular una curva de parámetros de frenado que se pueda utilizar en el sentido de la invención. Una mejora de la presente invención consiste en que la curva de frenado se puede calcular como función de los parámetros de banco de pruebas. Una función almacenada electrónicamente puede aceptar los parámetros del banco de prueba como argumentos y proporcionar una curva de frenado como resultado informático, por ejemplo, mediante una interpolación implementada en la función.

Los parámetros del banco de prueba están contenidos ventajosamente en un grupo de parámetros del banco de prueba al que, entre otras cosas, están asignados la velocidad inicial del vehículo ferroviario, la velocidad final del vehículo ferroviario, la velocidad de rotación inicial de la rueda, el diámetro de la rueda, el diámetro efectivo del disco de freno, la fuerza normal, el material del disco de freno, el material de la pastilla de freno, la masa del vehículo ferroviario, la energía cinética inicial del vehículo ferroviario, el impulso inicial del vehículo ferroviario, la temperatura inicial de la pastilla de freno, la temperatura inicial del disco de freno, la temperatura ambiente de la rueda, la duración del proceso de frenado y el tiempo y la duración de al menos la última operación de frenado, y eventualmente, otros parámetros relevantes. El diámetro efectivo corresponde al doble de la distancia desde el eje o el eje de la rueda en la cual la pastilla de freno interactúa de manera efectiva con el disco de freno.

Todos los parámetros mencionados se pueden medir en un banco de prueba y son relevantes para la conformación de la curva del valor de fricción o la curva de fuerza normal requerida. En particular, la temperatura inicial de la pastilla de freno y la temperatura inicial del disco de freno no se pueden medir en relación con el dispositivo de frenado conforme a la invención sin un sistema de sensores adicional, pero la temperatura ambiente conocida se puede seleccionar, por ejemplo, como la temperatura de inicio para el disco de freno y la pastilla de freno. Conociendo el frenado anterior, también se puede estimar la temperatura instantánea.

Otra mejora de la presente invención prevé que la unidad informática calcule la temperatura del disco de freno y/o de la pastilla de freno. Esta clase de cálculo se realizaría en función de un modelo de temperatura que considera las propiedades del material y las propiedades estructurales, en particular, del disco de freno. Así, por ejemplo, conociendo la temperatura ambiente y las operaciones de frenado realizadas hasta el momento, se puede calcular una temperatura del disco de freno y/o de la pastilla de freno para, por ejemplo, poder seleccionar de la matriz del banco de prueba una entrada que sea lo más adecuada posible.

Un procedimiento para generar al menos una curva de valor de fricción para almacenarla en la unidad de control, es decir que, para su programación, se prevé que la curva de valor de fricción de un disco de freno y una pastilla de freno se mida en un banco de pruebas de volante de inercia a una fuerza normal constante de la pastilla de freno sobre el disco de freno. Al realizar esta medición para diferentes parámetros de prueba, tales como la velocidad inicial y final del tren, su masa, la velocidad de rotación de las ruedas, el material de la pastilla de freno y del disco de freno, se puede crear una matriz de banco de prueba que, según la invención, hace innecesaria la medición durante el funcionamiento de la temperatura o de la fuerza de frenado.

Un procedimiento vinculado con el funcionamiento del dispositivo de frenado prevé que la fuerza normal de la pastilla de freno sobre el disco de freno se module a lo largo del tiempo según una curva de parámetro de frenado que se selecciona de una matriz de banco de prueba en base a parámetros instantáneos. De esta manera se genera entonces idealmente una curva de fuerza de frenado objetivo, en particular, una curva de fuerza de frenado que es constante en el tiempo.

A continuación, en base a las figuras, se presentan en detalle otras medidas de mejora de la invención junto con la descripción de un ejemplo de ejecución preferido. Las figuras muestran:

Figura 1: un esquema de un dispositivo de frenado conforme a la presente invención.

Figura 2: un esquema de bloques de un procedimiento conforme a la invención para el funcionamiento del dispositivo de frenado.

Figura 3: gráfico para la evaluación del funcionamiento del dispositivo de frenado.

Según la Figura 1, un vehículo ferroviario que no está representado aquí comprende un dispositivo de frenado 1, que a su vez comprende una unidad de control 2, que a su vez contiene una unidad informática 3 y una unidad de memoria 4; en donde el dispositivo de frenado 1 también comprende un actuador de freno 5 con una pastilla de freno 6 que interactúa con él, que se puede presionar normalmente sobre el disco de freno 7 de una rueda 8. No se muestran otros actuadores de freno, pastillas de freno y discos de freno opcionales, que pueden interactuar, por ejemplo, con otras ruedas opcionales.

La unidad informática también se comunica con un sensor de velocidad 9 y con un sensor de temperatura 10, que registran la velocidad de desplazamiento del tren y la temperatura ambiente en las proximidades del dispositivo de frenado 1. Junto con la información almacenada en la unidad de memoria 4 sobre la masa del tren 11 o bien sobre la masa relacionada proporcionalmente con el dispositivo de frenado 1, el material de la pastilla de freno 12 y el material del disco de freno 13, la unidad de cálculo es capaz de consultar así una curva de valor de fricción 15 de una matriz de banco de prueba 14 almacenada en la unidad de memoria 4, que se midió previamente en un banco de prueba en el cual el frenado se llevó a cabo bajo parámetros similares o idénticos con una fuerza normal constante de una pastilla de freno 6 sobre un disco de freno 7.

Conociendo esta curva de valor de fricción 15, la fuerza normal ahora se puede modular en el tiempo, de modo que se genera una curva de fuerza de frenado que es constante en el tiempo. En particular, este dispositivo de frenado no dispone de un sensor de fuerza de frenado ni de un dispositivo de medición para detectar el valor de fricción. La figura 2 muestra este procedimiento en un diagrama de bloques. La fuerza normal 16 presente al inicio del proceso de frenado, la velocidad 17 del disco de freno 7, la temperatura ambiente 18 y la energía cinética 19 del tren se utilizan como valor de entrada para el cálculo o consulta o interpolación de la curva del valor de fricción 15. En un módulo estimador 20 se consulta una correspondiente curva de valor de fricción 15 o, por ejemplo, se interpola o extrapola de una matriz de banco de pruebas 14, no mostrada aquí, que se midió con los parámetros correspondientes en un banco de prueba de volante de inercia. Dicha curva de valor de fricción 15, es decir, el valor de fricción que depende del tiempo se transfiere también a un módulo de temperatura 21, que lo utiliza para calcular la temperatura, en particular, del disco de freno 7. Este a su vez se transfiere opcionalmente al módulo estimador 20 para una determinación más precisa de la curva de valor de fricción 15, lo que permite una compensación más fiable de sus variaciones. A partir del valor de fricción calculado 15, se puede determinar entonces la curva de fuerza normal ideal 22, que debe utilizarse para obtener una fuerza de frenado lo más constante posible. Por ejemplo, una fuerza normal ascendente compensa un valor de fricción decreciente.

En la Figura 3 están registrados tres gráficos, que ilustran el modo de funcionamiento de un dispositivo de frenado 1 conforme a la invención en el transcurso del frenado sobre una distancia s trazada en el eje horizontal, medida en metros.

Por un lado, la curva de valor de fricción 15 se representa a una fuerza normal constante, como ocurriría, por ejemplo, en el estado del arte o como se mediría en un banco de pruebas de volante de inercia. El valor de la curva de valor de fricción 15 corresponde aquí a una décima parte del valor aplicado sobre el eje derecho. Se puede observar, por ejemplo, cómo el valor de la curva de fricción 15 disminuye inicialmente debido, entre otras cosas, al calentamiento, y después aumenta bruscamente hacia el final del proceso de frenado, principalmente a causa de la desaceleración del vehículo ferroviario. Este incremento en el valor de fricción hacia el final del proceso de frenado también se puede percibir por lo general acústicamente.

Una curva de presión de freno 23 compensada según la invención, aplicada contra el eje derecho, que indica una presión P en bar, o una correspondiente curva de fuerza normal 22 compensada según la invención, no mostrada aquí, desciende por lo tanto hacia el final del proceso de frenado para compensar el aumento de la curva del valor de fricción 15. Como resultado, la desaceleración de frenado o la aceleración 24 del vehículo ferroviario, aplicada contra el eje izquierdo, que indica una aceleración a en m/sA2, es prácticamente constante durante todo el período de frenado o toda la distancia de frenado.

La presente invención no está limitada al ejemplo de ejecución preferido descrito anteriormente. Más bien, también son concebibles modificaciones del mismo, que también se incluyen en el alcance de las reivindicaciones a continuación.

De esta manera, también es posible, por ejemplo, que las curvas de los parámetros de frenado no se almacenen en forma de curvas con un número de puntos de apoyo, sino en forma de funciones analíticas, por ejemplo, en forma de series de Fourier o series de Taylor. Las curvas de valor de frenado también se pueden almacenar de manera diferente que, en una matriz, por ejemplo, en una función, de modo que una curva de valor de frenado se pueda calcular a partir de una combinación de parámetros del banco de prueba.

El actuador de freno también puede actuar, por ejemplo, de forma neumática, electromecánica o hidráulica y el disco de freno se puede unir a un eje o a un eje de juego de ruedas de la rueda en lugar de a la rueda.

Lista de símbolos de referencia

1 Dispositivo de frenado

2 Unidad de control

3 Unidad de informática

4 Unidad de memoria

5 Actuador del freno

6 Pastilla de freno

7 Disco de freno

8 Rueda

9 Sensor de velocidad

10 Temperatura

Masa del tren

Material de la pastilla de freno Material del disco de freno Matriz de banco de prueba Curva de valor de fricción Fuerza normal

Velocidad

Temperatura ambiente Energía cinética

Módulo estimador

Módulo de temperatura Curva de fuerza normal Curva de presión de freno Aceleración

Claims (10)

REIVINDICACIONES

1. Dispositivo de frenado (1) para un vehículo ferroviario, que comprende un actuador de freno (5) y una patilla de freno (6) que se puede mover a través del mismo, así como, un disco de freno (7) que interactúa con el mismo y que está conectado de manera rotacionalmente fija con una rueda (8) para la generación de una fuerza de frenado que desacelera el vehículo ferroviario ante una solicitud de frenado de una unidad de control electrónica (2); en donde la fuerza de frenado surge en función de la fuerza normal (16) generada por la presión de la pastilla de freno (6) sobre el disco de freno (7), y de un valor de fricción dependiente de la velocidad relativa (17), del material (12; 13) y de la temperatura de la pastilla de freno y del disco de freno; en donde en la unidad de control (2) está almacenada al menos una curva de parámetro de frenado, que está basada en una curva de valor de fricción (15), que surge al frenar desde una velocidad inicial a una velocidad objetivo a fuerza normal constante (16) y una combinación de parámetros del banco de pruebas (14); y en donde la unidad de control (2) dispone de una unidad informática (3) que, en respuesta a una solicitud de frenado, modula cronológicamente la curva de fuerza normal (22) de acuerdo con la, al menos una, curva de parámetro de frenado para generar una curva de fuerza de frenado objetivo; caracterizado porque la curva del parámetro de frenado se asocia a una combinación de parámetros del banco de prueba; en donde la curva de parámetro de frenado está almacenada como una entrada en una matriz del banco de prueba n-dimensional (14); y en donde cada entrada de la matriz del banco de prueba consiste en una curva de parámetro de frenado y cada entrada está asociada a una combinación de n parámetros del banco de pruebas.

2. Dispositivo de frenado (1) según la reivindicación 1,

caracterizado porque la curva de parámetro de frenado basada en la curva de valor de fricción (15) corresponde a la curva de fuerza normal (22) que genera la curva de fuerza de frenado objetivo.

3. Dispositivo de frenado (1) según una de las reivindicaciones precedentes,

caracterizado porque la curva de parámetro de frenado basada en la curva de valor de fricción (15) corresponde a dicha curva de valor de fricción (15).

4. Dispositivo de frenado (1) según una de las reivindicaciones precedentes,

caracterizado porque la curva de fuerza de frenado objetivo es constante en el tiempo.

5. Dispositivo de frenado (1) según una de las reivindicaciones precedentes,

caracterizado porque la unidad informática (3) interpola entre entradas de la matriz y/o extrapola más allá de la misma para la modulación de la curva de fuerza normal (22).

6. Dispositivo de frenado (1) según una de las reivindicaciones precedentes,

caracterizado porque la curva de frenado se puede calcular en función de los parámetros del banco de pruebas.

7. Dispositivo de frenado (1) según una de las reivindicaciones precedentes,

caracterizado porque los parámetros del banco de prueba están contenidos en un grupo de parámetros del banco de prueba al cual están asociados la velocidad inicial del vehículo ferroviario, la velocidad final del vehículo ferroviario, la velocidad de rotación inicial de la rueda (8), el diámetro de la rueda ( 8), el diámetro efectivo del disco de freno (7), la fuerza normal (16), el material del disco de freno (13), el material de la pastilla del freno (12), la masa (11) del vehículo ferroviario, la energía cinética inicial (19) del vehículo ferroviario, el impulso inicial del vehículo ferroviario, la temperatura inicial de la pastilla de freno (6), la temperatura inicial del disco de freno (7), la temperatura ambiente (18) en la zona del el dispositivo de frenado (1), la duración del proceso de frenado y el tiempo y la duración de al menos la última operación de frenado.

8. Dispositivo de frenado (1) según una de las reivindicaciones precedentes,

caracterizado porque la unidad informática con ayuda de un módulo de temperatura (21) calcula la temperatura del disco de freno (7) mediante un modelo de temperatura.

9. Procedimiento para la determinación de al menos una curva de valor de fricción (15) para almacenarla en una unidad de memoria (4) de una unidad de control (2) de un dispositivo de frenado (1) según una de las reivindicaciones 1 a 8; en donde la curva de valor de fricción (15) de un disco de freno (7) y una pastilla de freno (6) se mide a una fuerza normal constante (16) en al menos una desaceleración en un dispositivo de prueba que simula un vehículo.

10. Procedimiento para el funcionamiento de un dispositivo de frenado (1) según una de las reivindicaciones 1 a 8, en donde, en respuesta a una solicitud de frenado se determina una curva de parámetro de frenado a partir de una matriz de banco de prueba (14) y la curva de fuerza normal (22) de la pastilla de freno (6) sobre el disco de freno (7) se modula cronológicamente según la curva de parámetros de frenado, generando así una curva de fuerza de frenado objetiva.