WO2018054736A1 - Verfahren zur beeinflussung eines kinematischen verhaltens eines fahrzeugs - Google Patents

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brake
friction
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Daniela Gutschi
Markus Knoll
Gerhild SCHINAGL
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Siemens Ag Österreich
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Definitions

  • the invention relates to a method for influencing a kinematic behavior of a vehicle, in particular a rail vehicle with at least one friction brake system, in which a braking effect by pressing against each other at least a first friction element and a second
  • Vehicles are often equipped with friction braking systems in which a braking effect on the vehicle is triggered by the pressing together of friction elements, i. E. a kinetic energy of the vehicle is converted into heat.
  • friction braking systems are known e.g. pneumatic disc brakes. pneumatic
  • Disc brakes include, for example, one on one
  • the brake cylinder has a piston with which the
  • Brake disc are pressed.
  • the brake cylinder includes compressed air connections, via which the piston is acted upon for actuating the linkage with compressed air from a compressed air system of the vehicle.
  • the compressed air system points
  • Components for controlling and regulating the disc brake e.g. Compressors, brake control devices, etc. on.
  • the conversion of kinetic energy of the vehicle to heat causes a temperature increase of the friction elements, i. for the disc brake e.g. a temperature increase of
  • brake pads made of organic material have a low temperature resistance, temperatures from approx.
  • EP 1 950 111 Bl is known, in which a method for evaluating the
  • Temperature of a brake disc is disclosed, in which the temperature is determined as a function of heat energy, a mass and a heat capacity of the brake disc.
  • a method of determining the temperature of brake elements provided on a vehicle is shown. The method calculates the temperatures of a braking system from the kinetic energy of the vehicle and defines admissible ones on this basis
  • the model underlying the method no heat conduction through the brake disc taken into account and the cooling is not calculated speed-dependent, whereby calculation results for the temperature increase and temperature reduction can have inaccuracies. Furthermore, the method is active and calculates temperatures until the brake disc has ambient temperature. That is, a performing the calculations
  • the arithmetic unit must remain switched on or be supplied with power for a certain period of time even after a vehicle has been parked.
  • the invention is therefore based on the object to provide a comparison with the prior art improved method.
  • Temperatures are calculated at least the first friction element, wherein in this calculation a heat conduction through the at least first friction element and a
  • Friction brake system equipped with sensors for measuring friction element temperatures can be dispensed with, since the determination of temperatures and other parameters (for example, due to the thermal state permissible
  • Driving speeds, parameters of cooling, etc.) of the friction brake system is calculated on a corresponding arithmetic unit.
  • a good accuracy with respect to the calculated thermal behavior of the friction brake system is also due to the consideration of the heat conduction through the first friction element and the speed-dependent
  • Cooling function temperatures are determined that the
  • the kinematic behavior of the vehicle is influenced.
  • Friction brake system can be correspondingly in a way
  • Components prevent or reduce required collateral.
  • Reibelements for future to be carried out braking the vehicle can be predicted.
  • the invention is based on
  • FIG. 2 A schematic representation of an exemplary embodiment of a pneumatic friction brake with a brake disk and a brake caliper, Fig. 2: A functional diagram of an exemplary
  • FIG. 3 shows a flow chart of an exemplary variant of a method according to the invention for the cyclical calculation of temperatures and permissible travel speeds and for limiting the vehicle speed.
  • This comprises a first friction element 1, which is designed as a brake disc, which on a non-illustrated
  • the brake caliper has a second friction element 2, which comprises two brake pads. Furthermore, the second friction element 2, which comprises two brake pads. Furthermore, the second friction element 2, which comprises two brake pads. Furthermore, the second friction element 2, which comprises two brake pads. Furthermore, the second friction element 2, which comprises two brake pads. Furthermore, the second friction element 2, which comprises two brake pads. Furthermore, the second friction element 2, which comprises two brake pads. Furthermore, the second friction element 2, which comprises two brake pads. Furthermore, the
  • Brake caliper a brake cylinder 4 with compressed air connections 6 and a piston 5 and a linkage 3 on.
  • the piston 5 actuates the linkage 3, whereby the brake pads arranged on the linkage 3, i. the second
  • Friction element 2 to the brake disc i. the first friction element 1 are pressed.
  • the piston 5 for actuating the linkage 3 with compressed air from a compressed air system not shown
  • the compressed air system includes components for controlling and controlling the friction braking system, such as e.g. Compressors, brake control devices, etc. on.
  • the brake control unit has an arithmetic unit 7 shown in FIG. 2, in which thermal calculations are carried out in accordance with the method according to the invention.
  • the brake control unit is connected to a vehicle control, not shown.
  • the vehicle controller includes one shown in FIG.
  • Control unit 8 with which the kinematic behavior of the rail vehicle is influenced on the basis of results of the thermal calculations.
  • Reibelements 2 from each other causes a reduction or a Suspension of the braking effect on the rail vehicle.
  • the temperatures in the first friction element 1 and in the second friction element 2 are reduced, ie the first
  • Friction element 1 and the second friction element 2 cool.
  • the temperature behavior described is calculated by means of the method according to the invention.
  • FIG. 2 shows a functional diagram of an exemplary variant of a device according to the invention which is used for the method according to the invention for influencing the
  • the device comprises a vehicle speed sensor 10 for detecting a vehicle speed v, a
  • Brake pressure sensor 11 for detecting a brake pressure p
  • an ambient temperature sensor 12 for detecting a brake pressure p
  • Ambient temperature ⁇ ⁇ a timing device 13 for detecting an absolute time t and a display unit 9, which are connected via corresponding data lines with a computing unit 7.
  • the vehicle speed sensor 10 the
  • Brake pressure sensor 11 and the ambient temperature sensor 12 are arranged in a chassis of the rail vehicle, not shown. This is a cheap solution. However, according to the invention it is also conceivable that the
  • the delay is approximately determined.
  • the delay is calculated for example by differentiation of the vehicle speed v and the mass to be braked over a
  • Vehicle speed v an angular velocity of a wheel or a wheel speed detected and the thermal Calculations are performed at this angular velocity or wheel speed.
  • the time measuring device 13 and the computing unit 7 are,
  • the arithmetic unit 7 receives via corresponding
  • Ambient temperature sensor 12 Data regarding the
  • thermal states of the friction brake system shown in FIG. 1 and a vehicle speed v max , therm permissible on the basis of these thermal states are determined according to the description of FIG. 3.
  • the arithmetic unit 7 is connected via corresponding data lines with a in a vehicle control, not shown
  • control unit 8 influences the kinematic behavior of the rail vehicle in such a way that e.g. the rail vehicle on a due to a thermal
  • the display unit 9 is arranged in a driver's cab, not shown, of the rail vehicle. On it you become one
  • Driving speeds v max , therm displayed Data required for the display are sent from the arithmetic unit 7 to the Display unit 9 via corresponding data lines
  • audible signals are additionally output to the driver via an audio output device of the display unit 9.
  • Brake pressure sensor 11, the ambient temperature sensor 12, the timepiece 13, the display unit 9, the arithmetic unit 7 and the control unit 8 conceivable. It is conceivable, for example, for the computing unit 7 to be separate from the computer
  • Brake control unit and the control unit 8 to be arranged separately from the vehicle control.
  • the computing unit 7 is arranged in a control station and communicates via radio signals with the rail vehicle, i. e.g. Information about its driving speed v receives and based on a performed, inventive thermal calculation instructions for limiting the vehicle speed v to a permissible driving speed
  • FIG. 3 describes steps of an exemplary variant of an inventive system
  • Control unit 8 of the rail vehicle to be performed.
  • Ambient temperature Tg and an absolute time t transmitted to the computing unit 7 with a frequency of 4 Hz which according to the invention, other frequencies are conceivable.
  • the transferred data will be checked for plausibility. If one or more values are invalid, the kinematic behavior of the rail vehicle is initially no longer affected. If these values are again declared valid and no braking occurs with a first friction element 1 illustrated in FIG. 1 for a certain period of time during a journey of the rail vehicle
  • Friction element 1 (a brake disc) is calculated, i. the due to a braking in the first friction element. 1
  • Brake disk temperature is cycled at a frequency of 4 Hz, which according to the invention also other frequencies
  • Driving speed v max therm calculated, from which such a predefined braking is still possible without exceeding a specified for the first friction element 1, critical temperature T s , crit to exceed.
  • therm is a lower limit defined to be operationally unrealistic
  • Limit value is set in such a way that the critical temperature T s , crit of the first friction element 1 is not exceeded when carrying out predefined braking, subsequent acceleration to this lower limit value and renewed braking, ie a temperature T s is established in compliance with this driving game of the first friction element 1, which does not change on average.
  • Vehicle speed v is not automatically affected, but the display unit 9 only an instruction for compliance with the permissible vehicle speed v max , therm outputs, by manual intervention of a
  • Control unit 8 is monitored. Combinations are also conceivable, ie, for example, the calculation and monitoring of a permissible deceleration as well as an agreed permissible driving speed v max , thermal
  • the cooling of the first friction element 1 is calculated by means of a known from the prior art methods cooling function at standstill of the rail vehicle, a stored ambient temperature T üfn -i at the time of shutdown and the ambient temperature ⁇ ⁇ at the time of recommissioning of the rail vehicle.
  • the calculated temperature T s of the first friction element 1 is calculated as a starting value for thermal calculations after the
  • the arithmetic unit 7 can therefore be switched off with the rail vehicle and does not have to be supplied separately with power. Since the arithmetic unit 7 a
  • Power supply unit it is conceivable to carry out temperature calculations during a shutdown period of the rail vehicle.
  • Cooling function to consider the cooling of the second friction element 2 and perform temperature calculations with respect to the second friction element 2. If no over a defined period of time
  • Delay braking of the rail vehicle takes place or the shutdown time (off time of the computing unit 7) lasts longer than over a defined period, the temperature calculation is reinitialized.
  • the starting temperature used is the current ambient temperature ⁇ ⁇ at the time of the new initialization.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Beeinflussung eines kinematischen Verhaltens eines Fahrzeugs, insbesondere eines Schienenfahrzeugs mit zumindest einem Reibungsbremssystem, bei dem eine Bremswirkung durch ein Gegeneinanderdrücken zumindest eines ersten Reibelements (1) und eines zweiten Reibelements (2) erzeugt wird. Um vorteilhafte Verfahrensbedingungen zu schaffen, wird vorgeschlagen, dass zumindest aus Informationen über eine Geschwindigkeit, einen Bremsdruck (p) und eine Außentemperatur (TU) des Fahrzeugs sowie über Absolut-Zeiten (t) zumindest Temperaturen (TS) zumindest des ersten Reibelements (1) berechnet werden, dass bei dieser Berechnung eine Wärmeleitung durch das zumindest erste Reibelement (1) sowie eine geschwindigkeitsabhängige Abkühlung des zumindest ersten Reibelements (1) berücksichtigt werden, und dass eine Beeinflussung des kinematischen Verhaltens des Fahrzeugs auf Basis dieser Berechnung erfolgt. Dadurch wird der Vorteil erzielt, dass auf eine aufwendige Ausstattung des Reibungsbremssystems mit Sensoren zur Messung von Reibelement-Temperaturen verzichtet werden kann und der thermische Zustand des Reibungsbremssystems dennoch mit guter Genauigkeit eingeschätzt wird.

Description

Verfahren zur Beeinflussung eines kinematischen Verhaltens eines Fahrzeugs
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beeinflussung eines kinematischen Verhaltens eines Fahrzeugs, insbesondere eines Schienenfahrzeugs mit zumindest einem Reibungsbremssystem, bei dem eine Bremswirkung durch ein Gegeneinanderdrücken zumindest eines ersten Reibelements und eines zweiten
Reibelements erzeugt wird.
Fahrzeuge sind häufig mit Reibungsbremssystemen ausgerüstet, bei denen durch das Gegeneinanderdrücken von Reibelementen eine Bremswirkung auf das Fahrzeug ausgelöst wird, d.h. eine kinetische Energie des Fahrzeugs in Wärme umgewandelt wird. Bekannte Ausführungsformen von Reibungsbremssystemen sind z.B. pneumatische Scheibenbremsen. Pneumatische
Scheibenbremsen umfassen beispielsweise eine auf einem
Radsatz gelagerte Bremsscheibe sowie eine Bremszange mit einem Bremszylinder, einem Gestänge und Bremsbelägen. Der Bremszylinder weist einen Kolben auf, mit dem das
Bremsgestänge betätigt und die Bremsbeläge an die
Bremsscheibe gepresst werden. Der Bremszylinder umfasst Druckluftanschlüsse, über welche der Kolben zur Betätigung des Gestänges mit Druckluft aus einem Druckluftsystem des Fahrzeugs beaufschlagt wird. Das Druckluftsystem weist
Komponenten zur Steuerung und Regelung der Scheibenbremse, wie z.B. Kompressoren, Bremssteuergeräte etc. auf.
Die Umwandlung von kinetischer Energie des Fahrzeugs in Wärme bewirkt eine Temperaturerhöhung der Reibelemente, d.h. für die Scheibenbremse z.B. eine Temperaturerhöhung der
Bremsscheibe und der Bremsbeläge.
Die eingesetzten Materialien dürfen bei den auftretenden Höchsttemperaturen ihre geforderten Eigenschaften in Bezug auf Festigkeit, chemische Beständigkeit etc. nicht verlieren. Insbesondere Bremsbeläge aus organischem Material weisen eine geringe Temperaturbeständigkeit auf, Temperaturen ab ca.
300°C können zu Rauchentwicklung führen. Aus diesen Gründen ist das Risiko einer Überschreitung spezifizierter Maximaltemperaturen von Bremskomponenten zu vermeiden .
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene thermische
Berechnungsmethoden bekannt. So beschreiben Saumweber et. al . in Grundlagen der Schienenfahrzeugbremse des Archivs für Eisenbahntechnik des Hestra- erlags , 1990 auf S. 22ff eine analytische Methode zur Temperaturberechnung unter Einsatz einer eindimensionalen Wärmeleitungsgleichung.
Aus dem Stand der Technik ist beispielsweise die EP 1 950 111 Bl bekannt, in welcher ein Verfahren zur Bewertung der
Temperatur einer Bremsscheibe offenbart wird, bei dem die Temperatur als Funktion einer Wärmeenergie, einer Masse und einer Wärmekapazität der Bremsscheibe ermittelt wird.
In der DE 199 43 352 AI wird eine Vorrichtung und ein
Verfahren zum Bestimmen der Temperatur von an einem Fahrzeug vorgesehenen Bremselementen gezeigt. Das Verfahren berechnet aus der kinetischen Energie des Fahrzeugs Temperaturen eines Bremssystems und definiert auf dieser Basis zulässige
Fahrgeschwindigkeiten .
Die DE 42 35 364 C2 beschreibt ein Verfahren zum Erfassen der Temperatur einer Scheibenbremse, wobei aus einem die
Fahrgeschwindigkeit mit der Anpresskraft von Bremsbelägen an eine Bremsscheibe verknüpfenden Lastsignal eine
Temperaturerhöhung sowie aus einer abgeführten Wärmemenge eine Temperatursenkung der Bremse berechnet wird.
Der genannte Ansatz weist in seiner bekannten Form den
Nachteil auf, dass das dem Verfahren zugrundeliegende Modell keine Wärmeleitung durch die Bremsscheibe berücksichtigt und die Abkühlung nicht geschwindigkeitsabhängig berechnet wird, wodurch Rechenergebnisse für die Temperaturerhöhung und Temperatursenkung Ungenauigkeiten aufweisen können. Weiterhin ist das Verfahren so lange aktiv und berechnet Temperaturen, bis die Bremsscheibe Umgebungstemperatur aufweist. D.h. eine die Berechnungen durchführende
Recheneinheit muss gegebenenfalls auch nach dem Abstellen eines Fahrzeugs über eine bestimmte Zeitdauer eingeschaltet bleiben bzw. mit Strom versorgt werden.
Ferner wird eine Warnung ausgegeben, sobald die Berechnung ergibt, dass eine kritische Temperatur der Bremse unmittelbar vorliegt. Es erfolgt keine Prognose über gegebenenfalls zukünftig auftretende kritische Temperaturen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren anzugeben.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst mit einem Verfahren der eingangs genannten Art,
bei dem zumindest aus Informationen über eine
Geschwindigkeit, einen Bremsdruck und eine Außentemperatur des Fahrzeugs sowie über Absolut-Zeiten zumindest
Temperaturen zumindest des ersten Reibelements berechnet werden, wobei bei dieser Berechnung eine Wärmeleitung durch das zumindest erste Reibelement sowie eine
geschwindigkeitsabhängige Abkühlung des zumindest ersten Reibelements berücksichtigt werden, und
bei dem eine Beeinflussung des kinematischen Verhaltens des Fahrzeugs auf Basis dieser Berechnung erfolgt.
Dadurch ergibt sich erstens der Vorteil, dass auf eine konstruktiv aufwendige, wartungsanfällige und teure
Ausstattung des Reibungsbremssystems mit Sensoren zur Messung von Reibelement-Temperaturen verzichtet werden kann, da die Ermittlung von Temperaturen und weiteren Parametern (z.B. aufgrund des thermischen Zustands zulässige
Fahrgeschwindigkeiten, Parameter der Abkühlung etc.) des Reibungsbremssystems rechnerisch auf einer entsprechenden Recheneinheit erfolgt. Eine gute Genauigkeit bezüglich des berechneten thermischen Verhaltens des Reibungsbremssystems ergibt sich weiterhin aufgrund der Berücksichtigung der Wärmeleitung durch das erste Reibelement sowie der geschwindigkeitsabhängigen
Abkühlung des ersten Reibelements.
Darüber hinaus wird über die Erfassung eines Absolut- Zeitsignals der Vorteil erzielt, dass nach einem Zeitraum, in dem das Fahrzeug abgestellt war, unter Einsatz einer
Abkühlfunktion Temperaturen ermittelt werden, die das
Reibungsbremssystem während dieses Abstellzeitraums
aufgewiesen hat und die als Startwerte für
Temperaturberechnungen nach einer Wiederinbetriebnahme des Fahrzeugs eingesetzt werden. Aus diesem Grund kann die
Recheneinheit zum Zeitpunkt des Abstellens des Fahrzeugs ausgeschaltet werden.
Auf Grundlage der Ergebnisse der Temperaturberechnung wird das kinematische Verhalten des Fahrzeugs beeinflusst. Dabei kann nicht nur eine zulässige Maximalgeschwindigkeit, sondern beispielsweise auch ein Fahrprofil definiert werden, wodurch sich eine günstige Flexibilität in Bezug auf
einsatzspezifische Anforderungen ergibt. Insbesondere ist dadurch eine Optimierung des Fahrverhaltens hinsichtlich einer Fahrtdauer, der Fahrgeschwindigkeit etc. unter
Berücksichtigung der thermischen Leistungsfähigkeit des Reibungsbremssystems möglich.
Aufgrund des Verfahrens wird ein Betrieb des Fahrzeugs in bezüglich der thermischen Belastung des Reibungsbremssystems unzulässigen Temperaturbereichen vermieden. Das
Reibungsbremssystem kann entsprechend in einer Weise
ausgelegt werden, dass eine Überdimensionierung von
Komponenten verhindert bzw. erforderliche Sicherheiten reduziert werden.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung erhält man, wenn die
Berechnung unter Berücksichtigung einer Wärmeleitung durch das zweite Reibelement sowie einer geschwindigkeitsabhängigen Abkühlung des zweiten Reibelements durchgeführt wird. Durch diese Maßnahme wird eine weitere Erhöhung der
Genauigkeit bei der rechnerischen Erfassung von thermischen Zuständen des Reibungsbremssystems erzielt.
Es ist günstig, wenn Temperaturen zumindest des ersten
Reibelements für zukünftig durchzuführende Bremsungen des Fahrzeugs prognostiziert werden.
Durch diese Maßnahme können thermische Überlastungen des Reibungsbremssystems lange vor deren Eintreten durch
Beeinflussung des kinematischen Verhaltens des Fahrzeugs vermieden werden .
Eine vorteilhafte Lösung wird erzielt, wenn das kinematische Verhalten des Fahrzeugs automatisch beeinflusst wird.
Durch diese Maßnahme wird eine Reduktion der Arbeitsbelastung eines Fahrzeugführers erreicht. Weiterhin wird das Risiko einer unzureichenden Reaktion des Fahrzeugs auf die Vorgabe eines erforderlichen kinematischen Verhaltens gesenkt.
Es ist günstig, wenn Berechnungsergebnisse gegenüber
Bedienern des Fahrzeugs zumindest in einer Weise dargestellt werden, dass vor einer Bremsung, für die das Erreichen einer hinsichtlich der thermomechanischen Beanspruchung zumindest des ersten Reibelements kritischen Temperatur prognostiziert wird, eine Warnung ausgegeben wird.
Durch diese Maßnahme ergibt sich eine günstige Planbarkeit des Fahrverhaltens. Beispielsweise kann durch einen
Fahrzeugführer bereits vor einer Beschleunigungsphase des Fahrzeugs eine maximal zulässige Fahrgeschwindigkeit
festgelegt werden, aus der eine Bremsung ohne Überschreitung der kritischen Temperatur des Reibungsbremssystems möglich ist . Nachfolgend wird die Erfindung anhand von
Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Es zeigen beispielhaft:
Eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführung einer pneumatischen Reibungsbremse mit einer Bremsscheibe und einer Bremszange, Fig. 2: Ein Funktionsschaubild einer beispielhaften
Ausführung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung für ein erfindungsgemäßes Verfahren mit Mitteln zur Datenaufzeichnung sowie einer Recheneinheit und einer Regeleinheit, und
Fig. 3: Ein Flussdiagramm einer beispielhaften Variante eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur zyklischen Berechnung von Temperaturen und zulässigen Fahrgeschwindigkeiten sowie zur Beschränkung der Fahrgeschwindigkeit.
Ein in Fig. 1 schematisch dargestellter Ausschnitt aus einem Reibungsbremssystem eines Schienenfahrzeugs zeigt eine pneumatische Scheibenbremse.
Diese umfasst ein erstes Reibelement 1, das als Bremsscheibe ausgeführt ist, die auf einer nicht dargestellten
Radsatzwelle des Schienenfahrzeugs gelagert ist sowie eine Bremszange. Die Bremszange weist ein zweites Reibelement 2 auf, das zwei Bremsbeläge umfasst. Weiterhin weist die
Bremszange einen Bremszylinder 4 mit Druckluftanschlüssen 6 und einem Kolben 5 sowie ein Gestänge 3 auf.
Der Kolben 5 betätigt das Gestänge 3, wodurch die auf dem Gestänge 3 angeordneten Bremsbeläge, d.h. das zweite
Reibelement 2 an die Bremsscheibe, d.h. das erste Reibelement 1 gepresst werden. Über die Druckluftanschlüsse 6 wird der Kolben 5 zur Betätigung des Gestänges 3 mit Druckluft aus einem nicht dargestellten Druckluftsystem des
Schienenfahrzeugs beaufschlagt.
Das DruckluftSystem weist Komponenten zur Steuerung und Regelung des Reibungsbremssystems, wie z.B. Kompressoren, Bremssteuergeräte etc. auf. Das Bremssteuergerät weist eine in Fig. 2 dargestellte Recheneinheit 7 auf, in welcher thermische Berechnungen entsprechend des erfindungsgemäßen Verfahrens durchgeführt werden. Das Bremssteuergerät ist mit einer nicht dargestellten Fahrzeugsteuerung verbunden. Die Fahrzeugsteuerung umfasst eine in Fig. 2 dargestellte
Regeleinheit 8, mit welcher das kinematische Verhalten des Schienenfahrzeugs aufgrund von Ergebnissen der thermischen Berechnungen beeinflusst wird.
Ein Gegeneinanderdrücken des ersten Reibelements 1 und des zweiten Reibelements 2 verursacht eine Bremswirkung auf das Schienenfahrzeug. Dabei erfolgt eine Umwandlung von
kinetischer Energie des Schienenfahrzeugs in Wärme, wodurch eine Temperaturerhöhung des ersten Reibelements 1 und des zweiten Reibelements 2 verursacht wird.
Ein Lösen des ersten Reibelements 1 und des zweiten
Reibelements 2 voneinander bewirkt eine Reduktion bzw. eine Aufhebung der Bremswirkung auf das Schienenfahrzeug. Dadurch sowie durch eine Wirkung bekannter Wärmeübergangsprinzipien werden die Temperaturen in dem ersten Reibelement 1 sowie in dem zweiten Reibelement 2 reduziert, d.h. das erste
Reibelement 1 und das zweite Reibelement 2 kühlen ab.
Das beschriebene Temperaturverhalten wird mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens berechnet.
Fig. 2 zeigt ein Funktionsschaubild einer beispielhaften Variante einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die für das erfindungsgemäße Verfahren zur Beeinflussung des
kinematischen Verhaltens eines Schienenfahrzeugs eingerichtet ist .
Die Vorrichtung umfasst einen Fahrgeschwindigkeitssensor 10 zur Erfassung einer Fahrgeschwindigkeit v, einen
Bremsdrucksensor 11 zur Erfassung eines Bremsdrucks p, einen Umgebungstemperatursensor 12 zur Erfassung einer
Umgebungstemperatur Τσ, ein Zeitmessgerät 13 zur Erfassung einer Absolut-Zeit t sowie eine Anzeigeeinheit 9, die über entsprechende Datenleitungen mit einer Recheneinheit 7 verbunden sind. Der Fahrgeschwindigkeitssensor 10, der
Bremsdrucksensor 11 und der Umgebungstemperatursensor 12 sind in einem nicht dargestellten Fahrwerk des Schienenfahrzeugs angeordnet. Dabei handelt es sich um eine günstige Lösung. Erfindungsgemäß ist es jedoch auch denkbar, dass die
Fahrgeschwindigkeit v sowie der Bremsdruck p aus einem
Datenbussystem (z.B. Multi Vehicle Bus, MVB) des
Schienenfahrzeugs in die Recheneinheit 7 eingelesen werden. Weiterhin ist es auch vorstellbar, dass der Bremsdruck p aus einer Verzögerung und einer abzubremsenden Masse
näherungsweise bestimmt wird. Die Verzögerung wird dabei beispielsweise durch Differentiation der Fahrgeschwindigkeit v berechnet und die abzubremsende Masse über eine
Lastbremsvorrichtung bestimmt.
Darüber hinaus ist es auch denkbar, dass statt einer
Fahrgeschwindigkeit v eine Winkelgeschwindigkeit eines Rads bzw. eine Raddrehzahl erfasst und die thermischen Berechnungen mit dieser Winkelgeschwindigkeit bzw. dieser Raddrehzahl durchgeführt werden.
Das Zeitmessgerät 13 sowie die Recheneinheit 7 sind,
implementiert in ein nicht dargestelltes Bremssteuergerät, in einem nicht dargestellten Wagenkasten angeordnet.
Die Recheneinheit 7 empfängt über entsprechende
Datenleitungen von dem Fahrgeschwindigkeitssensor 10 Daten bezüglich der Fahrgeschwindigkeit v, von dem Bremsdrucksensor 11 Daten bezüglich des Bremsdrucks p, von dem
Umgebungstemperatursensor 12 Daten bezüglich der
Umgebungstemperatur Tg sowie von dem Zeitmessgerät 13 Daten bezüglich der Absolut-Zeit t und führt Rechenoperationen entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren aus. Unter Einsatz der Fahrgeschwindigkeit v, des Bremsdrucks p, der Umgebungstemperatur u und der Absolut-Zeit t werden gemäß der Beschreibung zu Fig. 3 thermische Zustände des in Fig. 1 dargestellten Reibungsbremssystems sowie eine aufgrund dieser thermischen Zustände zulässige Fahrgeschwindigkeit vmax,therm ermittelt .
Die Recheneinheit 7 ist über entsprechende Datenleitungen mit einer in einer nicht dargestellten Fahrzeugsteuerung
implementierten, in dem Wagenkasten angeordneten Regeleinheit 8 verbunden. Die Regeleinheit 8 beeinflusst das kinematische Verhalten des Schienenfahrzeugs in einer Weise, dass z.B. das Schienenfahrzeug auf eine aufgrund einer thermischen
Berechnung von der Recheneinheit 7 ermittelte und an die Regeleinheit 8 übertragene, zulässige Fahrgeschwindigkeit vmax,therm automatisch abgebremst wird oder eine Beschleunigung über diese zulässige Fahrgeschwindigkeit vmax,therm hinaus verhindert wird.
Die Anzeigeeinheit 9 ist in einem nicht gezeigten Führerstand des Schienenfahrzeugs angeordnet. Auf ihr werden einem
Triebfahrzeugführer aufgrund thermischer Berechnungen entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren zulässige
Fahrgeschwindigkeiten vmax,therm angezeigt. Für die Darstellung erforderliche Daten werden von der Recheneinheit 7 an die Anzeigeeinheit 9 über entsprechende Datenleitungen
übermittelt .
Erfindungsgemäß ist es auch möglich, dass zulässige
Verzögerungen oder zulässige Fahrprofile (zeitliche Abfolgen von Beschleunigungs- und Verzögerungsabschnitten sowie Phasen mit konstanter Fahrgeschwindigkeit v oder Phasen des
Stillstands) angezeigt werden.
Zur Warnung vor einem ungünstigen kinematischen Verhalten des Schienenfahrzeugs im Hinblick auf thermische Zustände des Reibungsbremssystems werden über eine Audio- Ausgabeeinrichtung der Anzeigeeinheit 9 zusätzlich akustische Signale an den Triebfahrzeugführer ausgegeben.
Erfindungsgemäß sind verschiedene Ausführungen und
Anordnungen des Fahrgeschwindigkeitssensors 10, des
Bremsdrucksensors 11, des Umgebungstemperatursensors 12, des Zeitmessgeräts 13, der Anzeigeeinheit 9, der Recheneinheit 7 und der Regeleinheit 8 vorstellbar. Es ist beispielsweise denkbar, die Recheneinheit 7 getrennt von dem
Bremssteuergerät und die Regeleinheit 8 getrennt von der Fahrzeugsteuerung anzuordnen .
Weiterhin ist es auch vorstellbar, dass beispielsweise die Recheneinheit 7 in einem Leitstand angeordnet ist und über Funksignale mit dem Schienenfahrzeug kommuniziert, d.h. z.B. Informationen über dessen Fahrgeschwindigkeit v empfängt und auf Grundlage einer durchgeführten, erfindungsgemäßen thermischen Berechnung Instruktionen zur Beschränkung der Fahrgeschwindigkeit v auf eine zulässige Fahrgeschwindigkeit
Vmax, therm Sendet.
Ein in Fig. 3 dargestelltes Flussdiagramm beschreibt Schritte einer beispielhaften Variante eines erfindungsgemäßen
Verfahrens zur thermischen Berechnung und Beeinflussung des kinematischen Verhaltens eines Schienenfahrzeugs, die in einer in Fig. 2 gezeigten Recheneinheit 7 und einer
Regeleinheit 8 des Schienenfahrzeugs durchgeführt werden. Für die Durchführung des Verfahrens werden entsprechend der Beschreibung zu Fig. 2 Daten bezüglich einer
Fahrgeschwindigkeit v, eines Bremsdrucks p, einer
Umgebungstemperatur Tg sowie einer Absolut-Zeit t an die Recheneinheit 7 mit einer Frequenz von 4 Hz übertragen, wobei erfindungsgemäß auch andere Frequenzen vorstellbar sind.
Die übertragenen Daten werden bezüglich ihrer Plausibilität geprüft. Sind ein oder mehrere Werte ungültig, so wird das kinematische Verhalten des Schienenfahrzeugs zunächst nicht mehr beeinflusst. Werden diese Werte wieder als gültig deklariert und wird länger als eine bestimmte Zeitdauer während einer Fahrt des Schienenfahrzeugs keine Bremsung mit einem in Fig. 1 dargestellten ersten Reibelement 1
durchgeführt, werden auf Grundlage eines Neustarts der thermischen Berechnung mit einer Starttemperatur
(beispielsweise die zum Zeitpunkt des Neustarts aktuelle Umgebungstemperatur Tg) wieder Temperaturen Ts des ersten Reibelements 1 berechnet und das kinematische Verhalten des Schienenfahrzeugs wird gegebenenfalls wieder beeinflusst. Mit der Fahrgeschwindigkeit v und dem Bremsdruck p wird ein Energieeintrag in ein in Fig. 1 dargestelltes erstes
Reibelement 1 (eine Bremsscheibe) berechnet, d.h. die aufgrund einer Bremsung in das erste Reibelement 1
eingeleitete Energie.
Mit dieser Energie sowie der Umgebungstemperatur Tg und der Absolut-Zeit t wird eine Energiebilanz gebildet, eine
Wärmeverteilung zwischen dem ersten Reibelement 1 und dem zweiten Reibelement 2 sowie innerhalb des ersten Reibelements 1 berechnet und eine Wärmeabgabe an eine Umgebung des
Schienenfahrzeugs ermittelt.
Es werden dabei die Wärmeleitung durch das erste Reibelement 1 sowie dessen geschwindigkeitsabhängige Abkühlung
berücksichtigt. Erfindungsgemäß ist es zur weiteren
Verbesserung der Genauigkeit der thermischen Berechnung auch möglich, die Wärmeleitung durch ein in Fig. 1 dargestelltes zweites Reibelement 2 (Bremsbeläge) sowie dessen
geschwindigkeitsabhängige Abkühlung zu berücksichtigen. Bei der Ermittlung der Energiebilanz, der Wärmeverteilungen sowie der Wärmeabgabe werden aus dem Stand der Technik bekannte Methoden eingesetzt.
Eine Temperatur Ts des ersten Reibelements 1 (die
Bremsscheibentemperatur) wird zyklisch mit einer Frequenz von 4 Hz, wobei erfindungsgemäß auch andere Frequenzen
vorstellbar sind, aus der Wärmeverteilung und der Wärmeabgabe unter Berücksichtigung gespeicherter Temperaturen Ts,n-i des ersten Reibelements 1 aus früheren Zeitschritten der
Berechnung sowie der Umgebungstemperatur Τσ bestimmt.
Erfindungsgemäß ist es auch möglich, Temperaturen TB des zweiten Reibelements 2 zu berechnen.
Aus der berechneten Temperatur Ts des ersten Reibelements 1 und einer Temperaturprognose für zukünftige Bremsungen des Schienenfahrzeugs mit vordefinierten Parametern (z.B. mit einer vordefinierten Verzögerung) wird jene zulässige
Fahrgeschwindigkeit vmax,therm berechnet, aus der eine derart vordefinierte Bremsung noch möglich ist, ohne eine für das erste Reibelement 1 spezifizierte, kritische Temperatur Ts,krit zu überschreiten. Für vmax,therm ist ein unterer Grenzwert definiert, um betrieblich unrealistische
Fahrgeschwindigkeitsvorgaben bzw .
Fahrgeschwindigkeitsvorgaben von kleiner oder gleich 0 m/s für das Schienenfahrzeug zu vermeiden. Dieser untere
Grenzwert wird in einer Weise festgelegt, dass die kritische Temperatur Ts,krit des ersten Reibelements 1 bei Durchführung von vordefinierten Bremsungen, anschließender Beschleunigung auf diesen unteren Grenzwert und erneuter Bremsung nicht überschritten wird, d.h. es stellt sich bei Einhaltung dieses Fahrspiels eine Temperatur Ts des ersten Reibelements 1 ein, die sich im Mittel nicht mehr ändert.
Ist die zulässige Fahrgeschwindigkeit vmax,therm kleiner als eine nominale Höchstgeschwindigkeit vmax,nom des
Schienenfahrzeugs, so wird die zulässige Fahrgeschwindigkeit max, therm von der Recheneinheit 7 an die Regeleinheit 8 übermittelt, um die Fahrgeschwindigkeit v des
Schienenfahrzeugs auf die zulässige Fahrgeschwindigkeit vmax,therm zu beschränken.
Die Einhaltung dieser zulässigen Fahrgeschwindigkeit vmax,therm wird von der Regeleinheit 8 überwacht, eine
Geschwindigkeitsüberschreitung verhindert bzw. bei
Überschreitung der zulässigen Fahrgeschwindigkeit vmax,therm wird das Schienenfahrzeug automatisch auf diese abgebremst. Auf einer Anzeigeeinheit 9 in einem Führerstand wird, entsprechend der Beschreibung zu Fig. 2, die zulässige
Geschwindigkeit vmax,therm angezeigt und vor deren
Überschreitung ein optisches und akustisches Warnsignal ausgegeben .
Erfindungsgemäß ist es auch vorstellbar, dass die
Fahrgeschwindigkeit v nicht automatisch beeinflusst wird, sondern die Anzeigeeinheit 9 lediglich eine Instruktion zur Einhaltung der zulässigen Fahrgeschwindigkeit vmax,therm ausgibt, die durch manuelle Eingriffe eines
Triebfahrzeugführers umzusetzen ist.
Die Berechnung der zulässigen Fahrgeschwindigkeit vmax,therm sowie die gegebenenfalls erforderliche Beschränkung der Fahrgeschwindigkeit v erfolgt zyklisch mit einer Frequenz von 4 Hz, wobei erfindungsgemäß auch andere Frequenzen
vorstellbar sind.
Erfindungsgemäß ist es auch möglich, dass eine zulässige Verzögerung berechnet und deren Einhaltung von der
Regeleinheit 8 überwacht wird. Es sind auch Kombinationen denkbar, d.h. z.B. die Berechnung und Überwachung einer zulässige Verzögerung sowie einer darauf abgestimmten zulässigen Fahrgeschwindigkeit vmax,therm-
Weiterhin ist auch die Berechnung und Überwachung eines zulässigen Fahrprofils (zeitliche Abfolgen von
Beschleunigungs- und Verzögerungsabschnitten sowie Phasen mit konstanter Fahrgeschwindigkeit v oder Phasen des Stillstands) denkbar . War das Schienenfahrzeug über einen Zeitraum abgestellt, so wird nach dessen Wiederinbetriebnahme unter Einsatz des oben beschriebenen Verfahrens und der genannten Parameter, insbesondere der Absolut-Zeit t und einer zum Zeitpunkt des Abstellens gespeicherten Temperatur Ts,n_i des ersten
Reibelements 1, einer gespeicherten Absolut-Zeit tn-i etc. eine Temperatur Ts ermittelt, die das erste Reibelement 1 am Ende dieses Abstellzeitraums bzw. zum Zeitpunkt der
Wiederinbetriebnahme aufgewiesen hat. Hierbei wird die Abkühlung des ersten Reibelements 1 mittels einer nach aus dem Stand der Technik bekannten Methoden vordefinierten Abkühlfunktion bei Stillstand des Schienenfahrzeugs, einer gespeicherten Umgebungstemperatur Tüfn-i zum Zeitpunkt des Abstellens und der Umgebungstemperatur Τσ zum Zeitpunkt der Wiederinbetriebnahme des Schienenfahrzeugs berechnet. Die berechnete Temperatur Ts des ersten Reibelements 1 wird als ein Startwert für thermische Berechnungen nach der
Wiederinbetriebnahme des Schienenfahrzeugs eingesetzt.
Die Recheneinheit 7 kann daher mit dem Schienenfahrzeug ausgeschaltet werden und muss nicht separat mit Strom versorgt werden. Da die Recheneinheit 7 eine
Stromversorgungseinheit aufweist, ist es jedoch vorstellbar, auch während eines Abstellzeitraums des Schienenfahrzeugs Temperaturberechnungen durchzuführen .
Erfindungsgemäß ist es vorstellbar, mittels einer
Abkühlfunktion auch die Abkühlung des zweiten Reibelements 2 zu berücksichtigen und Temperaturberechnungen bezüglich des zweiten Reibelements 2 durchzuführen. Wenn über einen definierten Zeitraum keine
Verzögerungsbremsung des Schienenfahrzeugs stattfindet oder die Abstellzeit (Ausschaltzeit der Recheneinheit 7) länger als über einen definierten Zeitraum andauert, so wird die Temperaturberechnung neu initialisiert. Als Starttemperatur wird die zum Zeitpunkt der neuerlichen Initialisierung aktuelle Umgebungstemperatur Τσ eingesetzt. Liste der Bezeichnungen
1 Erstes Reibelement
2 Zweites Reibelement
3 Gestänge
4 Bremszylinder
5 Kolben
6 Druckluftanschlüsse
7 Recheneinheit
8 Regeleinheit
9 Anzeigeeinheit
10 Fahrgeschwindigkeitssensor
11 Bremsdrucksensor
12 Umgebungstemperatursensor
13 Zeitmessgerät p Bremsdruck
t Absolut-Zeit
tn-i Gespeicherte Absolut-Zeit
Ts Temperatur des ersten Reibelements
Ts,n_i Gespeicherte Temperatur des ersten Reibelements
Ts,krit Kritische Temperatur des ersten Reibelements
TB Temperatur des zweiten Reibelements
Τσ Umgebungstemperatur
Tg, n_i Gespeicherte Umgebungstemperatur
v Fahrgeschwindigkeit
vmax,nom Nominale Höchstgeschwindigkeit
vmax,therm Zulässige Fahrgeschwindigkeit

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Beeinflussung eines kinematischen Verhaltens eines Fahrzeugs, insbesondere eines Schienenfahrzeugs mit zumindest einem Reibungsbremssystem, bei dem eine
Bremswirkung durch ein Gegeneinanderdrücken zumindest eines ersten Reibelements und eines zweiten Reibelements erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet,
dass zumindest aus Informationen über eine Geschwindigkeit, einen Bremsdruck (p) und eine Außentemperatur (Tg) des
Fahrzeugs sowie über Absolut-Zeiten (t) zumindest
Temperaturen (Ts) zumindest des ersten Reibelements (1) berechnet werden,
dass bei dieser Berechnung eine Wärmeleitung durch das zumindest erste Reibelement (1) sowie eine
geschwindigkeitsabhängige Abkühlung des zumindest ersten Reibelements (1) berücksichtigt werden, und
dass eine Beeinflussung des kinematischen Verhaltens des Fahrzeugs auf Basis dieser Berechnung erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung unter Berücksichtigung einer Wärmeleitung durch das zweite Reibelement (2) sowie einer
geschwindigkeitsabhängigen Abkühlung des zweiten Reibelements (2) durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Temperaturen (Ts) zumindest des ersten Reibelements (1) für zukünftig durchzuführende Bremsungen des Fahrzeugs prognostiziert werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass nach einer Abstellzeit des Fahrzeugs zumindest Temperaturen (Ts) , die zumindest das erste
Reibelement (1) während dieser Abstellzeit aufgewiesen hat, berechnet werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das kinematische Verhalten des Fahrzeugs hinsichtlich einer berechneten, zulässigen
Fahrgeschwindigkeit (vmax, therm) des Fahrzeugs beeinflusst wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das kinematische Verhalten des Fahrzeugs hinsichtlich einer berechneten, zulässigen
Verzögerung des Fahrzeugs beeinflusst wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das kinematische Verhalten des Fahrzeugs hinsichtlich eines berechneten, zulässigen
Fahrprofils des Fahrzeugs beeinflusst wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das kinematische Verhalten des Fahrzeugs automatisch beeinflusst wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 oder 8 dadurch gekennzeichnet, dass Berechnungsergebnisse gegenüber Bedienern des Fahrzeugs zumindest in einer Weise dargestellt werden, dass vor einer Bremsung, für die das Erreichen einer hinsichtlich der thermomechanischen
Beanspruchung zumindest des ersten Reibelements (1)
kritischen Temperatur (TSfkrit) prognostiziert wird, eine Warnung ausgegeben wird.
10. Vorrichtung, welche zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 oder 8 eingerichtet ist, dadurch gekennzeichnet,
dass Mittel, die mit dem Fahrzeug verbunden sind, zur
Bestimmung der Fahrgeschwindigkeit (v) , des Bremsdrucks (p) , der Außentemperatur (Tg) und zur Zeitaufzeichnung sowie eine Recheneinheit 7, eine mit der Recheneinheit 7 verbundene
Regeleinheit 8 und Datenübertragungseinheiten, die ebenfalls mit dem Fahrzeug verbunden sind und für die Beeinflussung des kinematischen Verhaltens des Fahrzeugs vorgesehen sind, und dass die Mittel zur Bestimmung der Fahrgeschwindigkeit (v) , des Bremsdrucks (p) , der Außentemperatur (Tg) und zur
Zeitaufzeichnung mit der Recheneinheit 7 verbunden sind.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, welche zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 9 eingerichtet ist, dadurch gekennzeichnet,
dass Mittel, die mit dem Fahrzeug verbunden sind, zur
Darstellung der Berechnungsergebnisse vorgesehen sind, und dass diese Mittel mit der Recheneinheit 7 verbunden sind.
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