DE102021104800A1

DE102021104800A1 - Verfahren zur Bestimmung einer optimalen oder maximal zulässigen Geschwindigkeit eines Schienenfahrzeugs

Info

Publication number: DE102021104800A1
Application number: DE102021104800.1A
Authority: DE
Inventors: Ulf Friesen; Ralf Furtwängler; Fabian Hauss; Werner Machane; Gerhard Stahlbauer
Original assignee: Knorr Bremse Systeme fuer Schienenfahrzeuge GmbH
Current assignee: Knorr Bremse Systeme fuer Schienenfahrzeuge GmbH
Priority date: 2021-03-01
Filing date: 2021-03-01
Publication date: 2022-09-01
Also published as: CN116940489A; US20240132028A1; EP4301640A1; US20240227752A9; WO2022184411A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer optimalen oder maximal zulässigen Geschwindigkeit (vopt) eines Schienenfahrzeugs abhängig von einem thermischen Zustand wenigstens eines Reibelements (1, 2) wenigstens einer Reibungsbremse des Schienenfahrzeugs, beinhaltend wenigstens die folgenden Schritte:a) Erfassen von wenigstens einem Parameter, welche eine aktuelle Fahrbetriebssituation des Schienenfahrzeugs charakterisiert,b) Bestimmen oder Schätzen eines ersten Einflusses auf den thermischen Zustand des wenigstens eines Reibelements (1, 2) auf der Basis der aktuellen Fahrbetriebssituation des Schienenfahrzeugs, Erfindungsgemäß umfasst das Verfahren wenigstens die folgenden weiteren Schritte:c) Bestimmen oder Schätzen eines zweiten Einflusses auf den thermischen Zustand des wenigstens einen Reibelements (1, 2), welcher zusätzlich zu dem ersten Einfluss den thermischen Zustand des wenigstens einen Reibelements (1, 2) beeinflussen würde, wenn in der aktuellen Fahrbetriebssituation des Schienenfahrzeugs eine Bremsung mit einer definierten Bremsart fiktiv oder theoretisch durchgeführt werden würde,d) Bestimmen der optimalen oder maximal zulässigen Geschwindigkeit (vopt) des Schienenfahrzeugs derart, dass an dem wenigstens einen Reibelement (1, 2) unter dem ersten Einfluss und unter dem zweiten Einflussd1) eine erlaubte Reibelement-Maximaltemperatur (Tmax) des wenigstens einen Reibelements (1, 2) nicht überschritten wird, oderd2) sich die erlaubte Reibelement-Maximaltemperatur (Tmax) des wenigstens einen Reibelements (1, 2) im Wesentlichen einstellt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer optimalen oder maximal zulässigen Geschwindigkeit eines Schienenfahrzeugs abhängig von einem thermischen Zustand wenigstens eines Reibelements wenigstens einer Reibungsbremse des Schienenfahrzeugs gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Schienenfahrzeuge weisen oft elektrodynamische Bremsen und zusätzlich ein Reibungsbremssystem auf (Blending), wobei die elektrodynamischen Bremsen vorrangig zum Einsatz kommen, um den Verschleiß des Reibungsbremssystems zu reduzieren. Manche Schienenfahrzeuge weisen zwar ein Reibungsbremssystem, aber keine elektrodynamischen Bremsen auf.
Daher kann es bei einem kompletten oder teilweisen Ausfall der elektrodynamischen Bremsen vorkommen, dass eine Bremsung, insbesondere eine Betriebsbremsung, hauptsächlich oder ausschließlich mit dem Reibungsbremssystem durchgeführt werden muss. Je höher das Fahrzeuggewicht, welches vom Reibungsbremssystem abgebremst wird, und die Bremseintrittsgeschwindigkeit des Schienenfahrzeugs ist, d.h. je höher die Geschwindigkeit ist, bei welcher mit der Reibungsbremsung begonnen wird, desto höher ist der Energieeintrag und damit die Temperaturerhöhung der Bremsscheiben und Bremsbeläge. Als Konsequenz erhöht sich die Schwankung des Reibbeiwerts µ der Bremsscheibe-Bremsbelag-Paarung und damit die Wahrscheinlichkeit, dass sich der Reibbeiwert µ verringert. Bei hohen Bremseintrittsgeschwindigkeiten besteht daher die Gefahr, dass aufgrund von Bremsfading sich die Bremswege verlängern.
Unter Bremsfading (Bremsschwund) versteht man hierbei das Nachlassen der Bremswirkung eines Reibungsbremssystems durch Einflüsse wie Erwärmung oderNässe. Um Bremsfading wegen Erwärmung zu vermeiden, wird die maximale Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs situationsbedingt limitiert durch eine maximal erlaubte Geschwindigkeit.
Hierzu schlägt die gattungsgemäße WO 2018/054736 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Beeinflussung eines kinematischen Verhaltens eines Fahrzeugs vor, mit zumindest einem Reibungsbremssystem, bei dem eine Bremswirkung durch ein Gegeneinanderdrücken zumindest eines ersten Reibelements und eines zweiten Reibelements erzeugt wird, wobei 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, und wobei bei dieser Berechnung eine Wärmeleitung durch das zumindest erste Reibelement sowie eine geschwindigkeitsabhängige Abkühlung des zumindest ersten Reibelements berücksichtigt werden, und wobei eine Beeinflussung des kinematischen Verhaltens des Fahrzeugs auf Basis dieser Berechnung erfolgt.
Der vorliegenden Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, welches einerseits eine höhere Sicherheit gegenüber einer Überhitzung des Reibungsbremssystems bietet, aber andererseits eine möglichst hohe Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs, also ein Fahren „am Limit“ unter optimaler Geschwindigkeit ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst.
Offenbarung der Erfindung
Hintergrund der erfinderischen Überlegungen ist, dass eine im Hinblick auf den thermischen Zustand oder die thermische Belastbarkeit des wenigstens einen Reibelements maximal zulässige Geschwindigkeit gleichzeitig eine optimale Geschwindigkeit darstellt, weil dann die „thermische Reserve“ des wenigstens einen Reibelements maximal ausgenutzt wird, ohne dass dieses einen Schaden aufgrund von Überhitzung nimmt. Das Schienenfahrzeug kann dann mit der maximalen Geschwindigkeit fahren, die im Hinblick auf die thermische Belastbarkeit des wenigstens einen Reibelements gerade noch erlaubt ist. Dabei ist klar, dass ein Schienenfahrzeug mehrere Reibungsbremsen beispielsweise in Form von Scheibenbremsen und/oder Klotzbremsen aufweist, so dass beispielsweise die thermisch am höchsten belastete Reibungsbremse als (thermisch) schwächstes Glied den Maßstab für die Bestimmung der optimalen oder maximal zulässigen Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs bilden kann. Die maximal zulässige Geschwindigkeit bzw. die optimale Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs wird vereinfachend im Folgenden mit v_opt bezeichnet.
Ein weiterer Hintergrund der erfinderischen Überlegungen ist, dass im Betrieb bzw. unter Fahrt des Schienenfahrzeugs jederzeit gewährleistet sein soll, dass eine definierte Bremsart mit einer definierten Bremswirkung wie z.B. eine Not-, Zwangs- bzw. Schnellbremsung durchgeführt werden kann, ohne dass durch den dadurch erzeugten Temperaturhub ΔT die Reibelement-Temperatur (z.B. Bremsscheibentemperatur) in einen kritischen Bereich gelangt.
Unter einem Schienenfahrzeug soll hier jegliche Art von spurgebundenem Fahrzeug mit Antriebsmaschine, insbesondere Triebfahrzeuge oder auch ohne Antriebsmaschine wie Wagen in Schienenfahrzeugverbänden sowie ein Schienenfahrzeugverband aus mehreren Schienenfahrzeugen verstanden werden.
Die Erfindung geht aus von Verfahren zur Bestimmung einer optimalen oder maximal zulässigen Geschwindigkeit v_opt eines Schienenfahrzeugs abhängig von einem thermischen Zustand wenigstens eines Reibelements wenigstens einer Reibungsbremse des Schienenfahrzeugs, beinhaltend wenigstens die folgenden Schritte:

a) Erfassen von wenigstens einem Parameter, welche eine aktuelle Fahrbetriebssituation des Schienenfahrzeugs charakterisiert,
b) Bestimmen oder Schätzen eines ersten Einflusses auf den thermischen Zustand des wenigstens eines Reibelements auf der Basis der aktuellen Fahrbetriebssituation des Schienenfahrzeugs.

Erfindungsgemäß ist das Verfahren durch die folgenden weiteren Schritte gekennzeichnet:

c) Bestimmen oder Schätzen eines (insbesondere geschwindigkeitsabhängigen) zweiten Einflusses auf den thermischen Zustand des wenigstens einen Reibelements, welcher zusätzlich zu dem ersten Einfluss den thermischen Zustand des wenigstens einen Reibelements beeinflussen würde, wenn in der aktuellen Fahrbetriebssituation des Schienenfahrzeugs eine Bremsung mit einer definierten Bremsart fiktiv oder theoretisch durchgeführt werden würde,
d) Bestimmen der optimalen oder maximal zulässigen Geschwindigkeit v_opt des Schienenfahrzeugs derart, dass an dem wenigstens einen Reibelement unter dem ersten Einfluss und unter dem zweiten Einfluss
- d1) eine erlaubte Reibelement-Maximaltemperatur Tmax des wenigstens einen Reibelements nicht überschritten wird, oder
- d2) sich die erlaubte Reibelement-Maximaltemperatur Tmax des wenigstens einen Reibelements im Wesentlichen einstellt.

Das Verfahren gewährleistet, dass zu jedem Zeitpunkt einer Fahrt des Schienenfahrzeugs eine definierte Bremsart wie z.B. eine Notbremsung durchgeführt werden kann, ohne dass dadurch die Temperatur des wenigstens einen Reibelements die erlaubte Reibelement-Maximaltemperatur T_max übersteigt. Der durch die definierte Bremsart entstehende zusätzliche Temperaturhub ΔT wird daher als zweiter Einfluss bei der Bestimmung der optimalen Geschwindigkeit v_opt berücksichtigt.
Dabei kann bevor die definierte Bremsart tatsächlich ausgeführt wird, eine Schätzung oder Berechnung des Temperaturhubs ΔT vorzugsweise zu jedem Zeitpunkt und/oder kontinuierlich während der Fahrt durchgeführt werden, ohne dass jedoch die definierte Bremsart tatsächlich ausgeführt wird. Es ist daher nicht zwingend notwendig, dass die definierte Bremsart dann auch tatsächlich parallel zur aktuellen Fahrbetriebssituation durchgeführt wird. Eine Schätzung oder die Berechnung des Temperaturhubs ΔT aufgrund der fiktiven Bremsung wird aus Sicherheitsgründen durchgeführt, um eine Temperaturüberlastung des wenigstens einen Reibelements des Reibungsbremssystems zu jedem Zeitpunkt einer Fahrt zu vermeiden, ohne dass dabei zwingend notwendig ist, dass die definierte Bremsart tatsächlich ausgeführt wird.
Die Ausgangssituation bildet daher die aktuelle Fahrbetriebssituation, in welcher das Schienenfahrzeug mit einer bestimmten Geschwindigkeit und Beladung und unter bestimmten Umgebungs- und Streckenbedingungen entlang einer Strecke fährt, welche beispielsweise eben ist oder ein bestimmtes Gefälle oder eine bestimmte Steigung aufweist. Beispielsweise die Geschwindigkeit, die Beladung, das Gefälle bzw. die Steigung werden dann als Parameter erfasst. Auch kann die aktuelle Fahrbetriebssituation umfassen, dass bereits eine beispielsweise von der definierten Bremsart abweichende Betriebsbremsung ausgelöst worden ist, wobei dann beispielsweise der aktuelle Bremsdruck und/oder die aktuelle Bremskraft und/oder das aktuelle Bremsmoment als Parameter erfasst wird (werden). Alternativ kann in der aktuellen Fahrbetriebssituation auch nicht gebremst werden, dann sind die Parameter den aktuellen Bremsdruck und/oder die aktuelle Bremskraft und/oder das aktuelle Bremsmoment betreffend gleich Null. Weiter alternativ kann in der aktuellen Fahrbetriebssituation auch bereits mit einer definierten Bremsart gebremst werden.
Auf der Basis dieser aktuellen Fahrbetriebssituation kann dann als erster Einfluss beispielsweise als erster Temperaturanteil T_current einer prädiktiven Reibelement-Temperatur T_pred auf der Basis der aktuellen Fahrbetriebssituation des Schienenfahrzeugs berechnet oder mittels eines Modells geschätzt werden. Dieser erste Temperaturanteil T_current entspricht dann der Temperatur, welche sich aufgrund der aktuellen Fahrbetriebssituation an dem wenigstens einen Reibelement tatsächlich einstellt. Der erste Temperaturanteil T_current wird beispielsweise ständig berechnet, auch wenn momentan eine bestimmte Bremsart durchgeführt wird.
Unter einem Modell soll jegliches physikalisch-mathematische Modell verstanden werden, welches durch ein speicherbares Programm in einer Recheneinheit implementierbar ist und mit dessen Hilfe basierend auf den Parametern die genannten Größen berechnet werden können.
Der Parameter und/oder die Kenngröße zur Charakterisierung der aktuellen Fahrsituation ist insbesondere keine Temperaturgröße. Dann kann der erste Temperaturanteil T_current der prädiktiven Reibelement-Temperatur T_pred aus dem wenigstens einen Parameter anhand eines Modells geschätzt oder berechnet werden, wobei aber der erste Temperaturanteil T_current beispielsweise nicht von einem Temperatursensor gemessen wird. Alternativ oder zusätzlich könnte aber wenigstens ein Temperatursensor zur direkten oder indirekten Erfassung des ersten Temperaturanteils T_current herangezogen werden.
Zusätzlich wird beispielsweise der oben beschriebene Temperaturhub ΔT, der den zweiten Einfluss repräsentiert, als zweiter Temperaturanteil ΔT der prädiktiven Reibelement-Temperatur T_pred bzw. als zweiter Einfluss berücksichtigt. Der Temperaturhub ΔT als zweiter Temperaturanteil der prädiktiven Reibelement-Temperatur T_pred ist insbesondere geschwindigkeitsabhängig. Der zweite Temperaturanteil ΔT würde sich zusätzlich zu dem ersten Temperaturanteil T_current an dem wenigstens einen Reibelement des Reibungsbremssystems einstellen, wenn in der aktuellen Fahrbetriebssituation des Schienenfahrzeugs eine Bremsung mit einer definierten Bremsart fiktiv durchgeführt werden würde, welche in der aktuellen Fahrbetriebssituation nicht oder noch nicht angefordert worden ist oder wird, aber in der aktuellen Fahrbetriebssituation angefordert werden könnte.
Beispielsweise kann die prädiktive Reibelement-Temperatur T_pred des wenigstens einen Reibelements des Reibungsbremssystems als Summe aus dem ersten Temperaturanteil T_current und dem zweiten Temperaturanteil ΔT bestimmt werden. Diese prädiktive Reibelement-Temperatur T_pred würde sich daher theoretisch oder fiktiv an oder in dem wenigstens einen Reibelement geschätzt oder berechnet einstellen, wenn in der aktuellen Fahrbetriebssituation die definierte Bremsart ausgeführt wird.
Insbesondere basiert die Erfindung dann auf der Überlegung, dass ein als „Temperaturreserve“ zur Verfügung stehender zweiter Temperaturanteil oder Temperaturhub ΔT, welcher beispielsweise noch für eine Erhöhung der aktuellen Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs bis zur optimalen Geschwindigkeit v_opt zur Verfügung steht, einer Differenz zwischen der erlaubten Reibelement-Maximaltemperatur T_max des wenigstens einen Reibelements und dem ersten Temperaturanteil T_current entspricht: $Δ T = T_{max} - T_{current}$
Ein Betrieb des Schienenfahrzeugs mit der optimalen Geschwindigkeit v_opt oder mit einer Geschwindigkeit v kleiner als die optimale Geschwindigkeit v_opt führt dann dazu, dass auch bei einer Ausführung der definierten Bremsart wie Not-, Zwangs- oder Schnellbremse die prädiktive Reibelement-Temperatur T_pred insbesondere stets kleiner oder gleich in Bezug auf eine erlaubte Reibelement-Maximaltemperatur T_max des wenigstens einen Reibelements der Reibungsbremse ist oder wird.
In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen der in Anspruch 1 angegebenen Erfindung möglich.
Wie oben bereits angedeutet, umfasst die definierte Bremsart wenigstens eine der folgenden Bremsarten: Eine Notbremsung, eine Zwangsbremsung, eine Schnellbremsung, eine Gefahrbremsung.
Nach DIN EN 14478:2005-06 sind diese Bremsarten wie folgt definiert:
Schnellbremsung
Aufbringen einer vordefinierten Bremskraft unter Anwendung aller einsatzfähigen Bremsen, das das geforderte Bremsvermögen und das geforderte

Sicherheitsniveau gewährleistet. Das in fahrzeugspezifischen Europäischen Normen (EN) beschriebene Bremsvermögen und das Sicherheitsniveau der Schnellbremsung sind unter der Voraussetzung, dass der benötigte Kraftschluss und andere notwendige Voraussetzungen gegeben sind, üblicherweise gleich oder größer als die entsprechenden Werte einer maximalen Betriebsbremsung (Vollbremsung). Im Deutschen kann sich der Begriff abhängig vom jeweiligen Zugtyp oder Verkehrssystem und der Art der Aktivierung der Schnellbremsung, wie nachfolgend erläutert, ändern:

Schnellbremsung	Schnellbremsung, die vom Triebfahrzeugführer ausgelöst wird;
Gefahrbremsung	Schnellbremsung bei Nahverkehrsbremssystemen;
Zwangsbremsung	Schnellbremsung, die durch Signal oder Schutzsysteme automatisch aktiviert wird (z. B. Zugbeeinflussungssysteme);
Notbremsung	Schnellbremsung, die von Passagieren oder dem Zugpersonal durch Betätigung eines Notbremszuggriffs ausgelöst wird. Der Notbremszuggriff ist die Betätigungsschnittstelle eines Fahrgastalarmsystems.
Vollbremsung	größtes erreichbares Niveau der Betriebsbremsung
Sicherheitsbremsung	spezifisch für Nahverkehrsbremssysteme, Bremsung mit einem höheren Sicherheitsniveau als bei Betriebs- und Gefahrbremsungen. Das Bremsvermögen kann geringer als bei maximaler Betriebsbremsung oder bei einer Gefahrbremsung sein.
Betriebsbremsung	Aufbringen einer einstellbaren Bremskraft zur Regulierung der Geschwindigkeit eines Zuges einschließlich der Reduzierung der Geschwindigkeit, des Anhaltens und des vorübergehenden Stillstands und es ist die am häufigsten benutzte Bremsart.

Wie oben bereits angedeutet, kann bevorzugt der thermische Zustand des wenigstens einen Reibelements durch eine prädiktive Reibelement-Temperatur T_pred des wenigstens einen Reibelements repräsentiert werden, welche aus einem ersten Temperaturanteil T_current und einem zweiten, insbesondere geschwindigkeitsabhängigen Temperaturanteil ΔT besteht, wobei

a) der erste Temperaturanteil T_current der prädiktiven Reibelement-Temperatur T_pred auf der Basis der aktuellen Fahrbetriebssituation des Schienenfahrzeugs als erster Einfluss geschätzt oder bestimmt wird, und dass
b) eine funktionale Beziehung r zwischen dem ersten Temperaturanteil T_current und der optimalen Geschwindigkeit v_opt des Schienenfahrzeugs definiert wird, in welcher der zweite Temperaturanteil ΔT der prädiktiven Reibelement-Temperatur T_pred als zweiter Einfluss berücksichtigt wird, und wobei
c) die optimale oder maximal zulässige Geschwindigkeit v_opt des Schienenfahrzeugs anhand der funktionalen Beziehung r abhängig von dem ersten Temperaturanteil T_current bestimmt wird.

Auch kann der thermische Zustand des wenigstens einen Reibelements durch eine prädiktive Reibelement-Temperatur T_pred des wenigstens einen Reibelements repräsentiert werden, wobei

a) als erster Einfluss ein erster Temperaturanteil T_current der prädiktiven Reibelement-Temperatur T_pred auf der Basis der aktuellen Fahrbetriebssituation des Schienenfahrzeugs geschätzt oder bestimmt wird, und dass
b) als zweiter Einfluss ein (insbesondere geschwindigkeitsabhängiger) zweiter Temperaturanteil ΔT der prädiktiven Reibelement-Temperatur T_pred geschätzt oder bestimmt wird, welcher sich zusätzlich zu dem ersten Temperaturanteil T_current an dem wenigstens einen Reibelement einstellen würde, wenn in der aktuellen Fahrbetriebssituation des Schienenfahrzeugs eine Bremsung mit einer definierten Bremsart fiktiv oder theoretisch durchgeführt werden würde, wobei
c) die Bestimmung der optimalen oder maximal zulässigen Geschwindigkeit v_opt des Schienenfahrzeugs derart erfolgt, dass eine Summe aus dem ersten Temperaturanteil T_current und dem zweiten Temperaturanteil ΔT
- c1) kleiner als eine erlaubte Reibelement-Maximaltemperatur Tmax des wenigstens einen Reibelements ist, oder
- c2) im Wesentlichen der erlaubten Reibelement-Maximaltemperatur Tmax des wenigstens einen Reibelements entspricht.

Vorzugsweise wird, falls in der aktuellen Fahrbetriebssituation des Schienenfahrzeugs

a) festgestellt wird, dass die Summe aus dem ersten Temperaturanteil T_current und dem zweiten Temperaturanteil ΔT kleiner als die erlaubte Reibelement-Maximaltemperatur Tmax ist, in der aktuellen Fahrbetriebssituation die aktuelle Geschwindigkeit v des Schienenfahrzeugs solange erhöht, bis sie im Wesentlichen der optimalen Geschwindigkeit v_opt entspricht, oder falls festgestellt wird, oder falls
b) festgestellt wird, dass die Summe aus dem ersten Temperaturanteil T_current und dem zweiten Temperaturanteil ΔT größer als die erlaubte Reibelement-Maximaltemperatur T_max ist, in der aktuellen Fahrbetriebssituation die aktuelle Geschwindigkeit v des Schienenfahrzeugs solange reduziert, bis sie im Wesentlichen der optimalen oder maximal zulässigen Geschwindigkeit v_opt entspricht.

Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens kann, falls festgestellt wird, dass bereits der erste Temperaturanteil T_current alleine größer als die erlaubte Reibelement-Maximaltemperatur T_max des wenigstens einen Reibelements ist,

a) ein Warnsignal und/oder ein Diagnosesignal erzeugt werden, und/oder
b) in der aktuellen Fahrbetriebssituation die aktuelle Geschwindigkeit v des Schienenfahrzeugs solange reduziert werden, bis der erste Temperaturanteil T_current kleiner oder gleich in Bezug auf die erlaubte Reibelement-Maximaltemperatur T_max des wenigstens einen Reibelements ist.

Auch kann die optimale Geschwindigkeit v_opt des Schienenfahrzeugs

a) mittels einer Steuereinrichtung, welche die Traktion und/oder die Bremse des Schienenfahrzeugs steuert oder regelt, automatisch eingestellt werden, und/oder
b) an einer Anzeigeeinrichtung optisch und/oder akustisch angezeigt werden.

Insbesondere kann der Parameter, welcher die aktuelle Fahrbetriebssituation charakterisiert, wenigstens einer der folgenden Parameter sein: Die aktuelle Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs, die aktuelle Bremskraft, das aktuelle Bremsmoment, der aktuelle Bremsdruck, die Umgebungstemperatur des Schienenfahrzeugs, die aktuelle Last und/oder Beladung des Schienenfahrzeugs, eine Steigung oder ein Gefälle der durch das Schienenfahrzeug befahrenen Strecke, eine Service-Bremsung oder eine Betriebs-Bremsung, mit einer Bremswirkung, welche geringer ist als die Bremswirkung bei der definierten Bremsart.
Gemäß einer Fortbildung kann das wenigstens eine Reibelement eine Bremsscheibe und/oder einen Bremsbelag einer Scheibenbremse des Reibungsbremssystems, oder eine Radlauffläche und/oder einen Bremsklotz einer Klotzbremseinheit des Reibungsbremssystems beinhalten.
Auch kann die definierte Bremsart wenigstens eine der folgenden Bremsarten umfassen: Eine Notbremsung, eine Zwangsbremsung, eine Schnellbremsung, eine Gefahrbremsung.
Gemäß einer Fortbildung kann das Schienenfahrzeug mehrere Reibungsbremsen mit jeweils wenigstens einem Reibelement umfassen, wobei für jede der mehreren Reibungsbremsen jeweils eine lokale optimale oder maximal zulässige Geschwindigkeit v_{_opt_local} bestimmt wird, und wobei als optimale oder maximal zulässige Geschwindigkeit v_opt des Schienenfahrzeugs die geringste oder kleinste lokale optimale oder maximal zulässige Geschwindigkeit v_{_opt_local_min} unter den lokalen optimalen oder maximal zulässigen Geschwindigkeiten v_{_opt_local} der mehreren Reibungsbremsen herangezogen werden.
Für eine Konsolidierung können verschiedene Verfahren verwendet werden:

- Im einfachsten Fall wird, wie oben beschrieben die geringste oder kleinste lokale optimale oder maximal zulässige Geschwindigkeit v_{_opt_local_min} unter den lokalen optimalen oder maximal zulässigen Geschwindigkeiten v_{_opt_local} der mehreren Reibungsbremsen herangezogen;
- Daneben oder alternativ stehen Verfahren zur Elimination von statistischen Ausreißern zur Verfügung. Beispielsweise können alle ermittelten Werte für die lokalen optimalen oder maximal zulässigen Geschwindigkeiten v_{_opt_local} in einer Reihe ansteigender Werte sortiert und von den kleinsten X Prozent (wobei X ein vordefinierter Prozentsatz ist) dann ein gemittelter oder höchster Wert herangezogen werden.

Figurenliste
Nachstehend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

1 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführung einer pneumatischen Reibungsbremseinrichtung mit einer Bremsscheibe und einer Bremszange mit Bremsbelägen;
2 ein Funktionsschaubild einer beispielhaften Ausführung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung für eine Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
3A/B einen Ablaufplan des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer bevorzugten Ausführungsform;
4 ein Diagramm, in welchem die Abhängigkeit eines zweiten Temperaturanteils ΔT einer prädiktiven Temperatur T_pred eines Reibelements der Reibungsbremse von 1 von der Fahrgeschwindigkeit v und Beladungszustand dargestellt ist;
5 eine funktionale Beziehung r zwischen der Geschwindigkeit v eines Schienenfahrzeugs und eines ersten Temperaturanteils T_current der prädiktiven Temperatur T_pred eines Reibelements der Reibungsbremse von 1 dargestellt ist.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Ein in 1 schematisch dargestellter Ausschnitt aus einer Reibungsbremseinrichtung eines Schienenfahrzeugs zeigt eine pneumatische Scheibenbremse. Diese umfasst ein erstes Reibelement 1, das beispielsweise 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, welches zwei Bremsbeläge umfasst. Weiterhin weist die Bremszange einen Bremszylinder 4 mit Druckluftanschlüssen 6 und einen 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 der Reibungsbremseinrichtung, wie z.B. Kompressoren, Bremssteuergeräte etc. auf.
Eine bevorzugte Ausführungsform einer Vorrichtung zur Bestimmung der optimalen oder maximal zulässigen Geschwindigkeit v_opt des Schienenfahrzeugs weist eine in 2 dargestellte Recheneinheit 7 auf, in welcher ein Modell implementiert ist, das thermische Berechnungen entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren durchführt. Die Vorrichtung umfasst weiterhin eine in 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 oder geschätzt und auf der Basis des Temperaturverhaltens dann die optimale oder maximal zulässige Geschwindigkeit v_opt in der Recheneinheit 7 bestimmt.
Die Vorrichtung umfasst einen Fahrgeschwindigkeitssensor 10 zur Erfassung einer Fahrgeschwindigkeit v, einen Bremsdrucksensor 11 zur Erfassung eines Bremsdrucks p und damit einer Bremskraft F_B, einen Umgebungstemperatursensor 12 zur Erfassung einer Umgebungstemperatur Tu, ein Zeitmessgerät 13 zur Erfassung einer Absolut-Zeit t sowie eine Lastbremsvorrichtung 14, die über entsprechende Datenleitungen mit einer Recheneinheit 7 verbunden sind, um die Sensorsignale dem Modell zur Verfügung zu stellen. Der Fahrgeschwindigkeitssensor 10, der Bremsdrucksensor 11 und der Umgebungstemperatursensor 12 sind in einem nicht dargestellten Fahrwerk des Schienenfahrzeugs angeordnet. Es ist jedoch auch denkbar, dass die Fahrgeschwindigkeit v sowie der Bremsdruck p aus einem Datenbussystem 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 oder über Beschleunigungssensoren ermittelt und die abzubremsende Masse m über eine Lastbremsvorrichtung 14 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. Weiterhin sind in einem hier nicht dargestellten Speicher der Recheneinheit 7 Konfigurationsdaten des Schienenfahrzeugs abgespeichert und stehen dem Modell ebenfalls zur Verfügung. In dem Speicher ist auch eine erlaubte Reibelement-Maximaltemperatur T_max beispielsweise des ersten Reibelements 1 abgespeichert.
Das Zeitmessgerät 13 sowie die Recheneinheit 7 sind, implementiert in ein nicht dargestelltes Steuergerät, 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 bzw. der Bremskraft F_B, von dem Umgebungstemperatursensor 12 Daten bezüglich der Umgebungstemperatur Tu, von der Lastbremsvorrichtung 14 Daten bezüglich der Fahrzeugmasse m sowie von dem Zeitmessgerät 13 Daten bezüglich der Absolut-Zeit t (Zeitstempel) und führt Rechenoperationen entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren aus. Weiterhin können auch in dem Speicher der Recheneinheit 7 gespeicherten Konfigurationsdaten des Schienenfahrzeugs in die Rechenoperationen des Modells einfließen.
Hier beispielsweise unter Heranziehen der Fahrgeschwindigkeit v, der Bremskraft F_B, der Umgebungstemperatur Tu, der Absolut-Zeit t, der Masse m und der Konfigurationsdaten des Schienenfahrzeugs werden gemäß der Beschreibung zu 3A und 3B thermische Zustände der in 1 dargestellten Reibungsbremseinrichtung ermittelt, insbesondere von deren erstem Reibelement 1.
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 durch aufgrund einer thermischen Berechnung in dem in der Recheneinheit 7 implementierten Modell erzeugte und an die Regeleinheit 8 übertragene Signale seine aktuelle Fahrgeschwindigkeit v beibehält, automatisch abgebremst oder beschleunigt wird. Insbesondere wird die optimale Geschwindigkeit v_opt durch die Regeleinheit 8 eingestellt oder eingeregelt. Das Abbremsen kann vorzugsweise durch eine Kontrolle der Traktion erfolgen, um nicht durch einen Eingriff der Scheibenbremsen die Bremsscheibentemperatur und den Verschleiß zu erhöhen. Hierdurch kann eine Beeinflussung des thermischen Zustands der Scheibenbremsen des Schienenfahrzeugs realisiert werden.
Weiterhin ist eine über eine Signalleitung mit der Recheneinheit 7 verbundene Anzeigeeinheit 9 in einem nicht gezeigten Führerstand des Schienenfahrzeugs angeordnet. Auf ihr werden einem Triebfahrzeugführer aufgrund thermischer Berechnungen entsprechend dem weiter unten beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren ermittelte Hinweise oder Warnungen angezeigt, insbesondere die optimale Geschwindigkeit v_opt. Hierdurch kann auch eine Überwachung des thermischen Zustands der Reibungsbremsen bzw. der Scheibenbremsen realisiert werden.
Auch ist es möglich, dass mit der Anzeigeeinheit 9 zusätzlich Geschwindigkeitsbeschränkungen, 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 der Reibungsbremsen können über eine Audio-Ausgabeeinrichtung der Anzeigeeinheit 9 zusätzlich akustische und/oder optische Signale an den Triebfahrzeugführer ausgegeben werden.
Dabei sind verschiedene Ausführungen und Anordnungen des Fahrgeschwindigkeitssensors 10, des Bremskraftsensors 11, des Umgebungstemperatursensors 12, des Zeitmessgeräts 13, der Anzeigeeinheit 9, der Recheneinheit 7, der Lastbremsvorrichtung 14 und der Regeleinheit 8 vorstellbar. Es ist beispielsweise denkbar, wie in 2 gezeigt, die Recheneinheit 7 und die Regeleinheit 8 getrennt anzuordnen, oder aber die Recheneinheit 7 und die Regeleinheit 8 in einer Baueinheit zu integrieren.
Weiterhin ist es auch vorstellbar, dass beispielsweise die Recheneinheit 7 in einem Leitstand angeordnet ist und über Funksignale mit dem Schienenfahrzeug kommuniziert, d.h. beispielsweise Informationen über dessen Fahrgeschwindigkeit v empfängt und auf Grundlage einer durchgeführten, erfindungsgemäßen thermischen Berechnung Instruktionen zur Beschränkung der Fahrgeschwindigkeit v auf die maximal zulässige oder optimale Fahrgeschwindigkeit v_opt sendet.
3A und 3B zeigen einen Ablaufplan einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung der optimalen oder maximal zulässigen Geschwindigkeit v_opt des Schienenfahrzeugs abhängig von dem thermischen Zustand beispielsweise des ersten Reibelements 1 in Form der Bremsscheibe der Scheibenbremse. Es ist dabei klar, dass die in 1 gezeigte Scheibenbremse lediglich stellvertretend für eine Mehrzahl oder alle Scheibenbremsen des Schienenfahrzeugs ist. Insbesondere werden eine Mehrzahl oder alle Scheibenbremsen thermisch überwacht, um die optimale oder maximal zulässige Geschwindigkeit v_opt des Schienenfahrzeugs zu bestimmen.
Hierzu werden in einem Schritt 100 Parameter erfasst, welche eine aktuelle Fahrbetriebssituation des Schienenfahrzeugs charakterisieren. Hierzu zählen hier beispielsweise die aktuelle Fahrgeschwindigkeit v, die aktuelle Bremskraft F_B, die aktuelle Umgebungstemperatur Tu, Daten bezüglich der Absolut-Zeit t (Zeitstempel), die aktuelle Masse m des Schienenfahrzeugs sowie die Konfigurationsdaten des Schienenfahrzeugs.
In dem Modell der Recheneinheit 7 wird dann in einem Schritt 200 ein erster Temperaturanteil T_current einer prädiktiven Reibelement-Temperatur T_pred beispielsweise des ersten Reibelements 1 beispielsweise auf der Basis der oben genannten aktuellen Fahrbetriebssituation des Schienenfahrzeugs berechnet oder geschätzt. Alternativ oder auch zusätzlich kann der erste Temperaturanteil T_current auch direkt durch einen Temperatursensor gemessen werden. Der erste Temperaturanteil T_current entspricht dann beispielsweise der durch das Modell berechneten oder geschätzten Oberflächentemperatur, welche sich aufgrund der tatsächlichen aktuellen Fahrbetriebssituation an der Oberfläche des ersten Reibelements 1 einstellt.
In einem nachfolgenden Schritt 300 wird dann in dem Modell überprüft, ob der erste Temperaturanteil T_current größer als die erlaubte Reibelement-Maximaltemperatur Tmax des ersten Reibelements 1 ist. Ist dies der Fall („ja“), so wird eine Problembehandlung durchgeführt. Beispielsweise erzeugt die Recheneinheit 7 ein Alarm- oder Warnsignal, welches dann an der Anzeigeeinheit 9 beispielsweise optisch ausgegeben wird und welches beispielsweise einen Hinweis auf einen kritischen thermischen Zustand des ersten Reibelements 1 repräsentiert oder beinhaltet. Alternativ oder zusätzlich könnte auch ein Beeinflussungssignal erzeugt werden, welches an die Regeleinheit 8 ausgegeben wird, welche die Traktion und/oder die Bremse des Schienenfahrzeugs steuert oder regelt. Mittels des Beeinflussungssignals wird dann beispielsweise die Fahrgeschwindigkeit v und/oder die Verzögerung a des Schienenfahrzeugs solange reduziert, bis der erste Temperaturanteil T_current kleiner oder gleich in Bezug auf die erlaubte Reibelement-Maximaltemperatur T_max des ersten Reibelements 1 ist. Zusätzlich kann auch eine Diagnose dahingehend durchgeführt werden, ob beispielsweise ein fortgeschrittener Verschleißzustand der Scheibenbremse die relativ hohe Temperatur verursacht hat.
Ist dies jedoch nicht der Fall („nein“), so wird in einem Schritt 400 mit Hilfe eines in der Recheneinheit 7 implementierten Verhaltensmodells für beispielsweise jede Reibungsbremse, die dort als Bremseinheit bezeichnet ist, eine maximal zulässige oder optimale Geschwindigkeit v__{opt_local} des Schienenfahrzeugs ermittelt oder bestimmt, bei welcher im Falle einer fiktiven Bremsung mit einer bestimmten Bremsart, hier beispielsweise mit einer Notbremsung die Temperatur T hier beispielsweise des ersten Reibelements 1 im Wesentlichen oder exakt die erlaubte Reibelement-Maximaltemperatur T_max dieses ersten Reibelements 1 annimmt oder erreicht.
Hierzu sind verschiedene Ansätze möglich. Wie eingangs bereits angedeutet, stellt sich an dem ersten Reibelement (theoretisch) eine prädiktive Reibelement-Temperatur T_pred beispielsweise als Oberflächentemperatur des ersten Reibelements 1 ein, wenn das Schienenfahrzeug in der aktuellen Fahrbetriebssituation mit einer definierten Bremsart fiktiv abgebremst wird. Diese prädiktive Reibelement-Temperatur T_pred stellt daher eine Art „Vorhersage“ der Temperatur des ersten Reibelements 1 dar, welches dieses einnimmt, wenn das Schienenfahrzeug theoretisch oder fiktiv mit der definierten Bremsart abgebremst wird.
Diese prädiktive Reibelement-Temperatur T_pred kann daher grundsätzlich als Summe aus dem ersten Temperaturanteil T_current und dem zweiten Temperaturanteil oder Temperaturhub ΔT bestimmt werden: $T_{pred} = T_{current} + Δ T$
Der zweite Temperaturanteil ΔT der prädiktiven Reibelement-Temperatur T_pred stellt dann den Temperaturanteil dar, welcher sich an dem ersten Reibelement 1 alleine aufgrund der fiktiven Bremsung mit der definierten Bremsart einstellen würde. Dieser zweite Temperaturanteil ΔT würde sich daher zusätzlich zu dem ersten Temperaturanteil T_current an der Oberfläche des ersten Reibelements 1 einstellen, wenn in der aktuellen Fahrbetriebssituation des Schienenfahrzeugs eine Bremsung mit einer definierten Bremsart fiktiv oder theoretisch durchgeführt werden würde. Diese definierte Bremsart ist beispielsweise in der aktuellen Fahrbetriebssituation nicht oder noch nicht angefordert worden, könnte aber in der aktuellen Fahrbetriebssituation angefordert werden.
Der zweite Temperaturanteil ΔT der prädiktiven Reibelement-Temperatur T_pred ist insbesondere abhängig von der Fahrgeschwindigkeit v, welche in der aktuellen Fahrbetriebssituation zum Zeitpunkt t (Zeitstempel) vorliegt. 4 zeigt ein Diagramm, welches beispielsweise in einem Kennfeld in der Recheneinheit 7 abgelegt ist und in welchem die Abhängigkeit des zweiten Temperaturanteils ΔT von der Fahrgeschwindigkeit v für verschiedene in den allgemein bekannten geltenden Vorschriften definierten Lastfälle, beispielsweise AW1: geringe Beladung, AW2: mittlere Beladung und AW3: hohe Beladung dargestellt ist. Selbstverständlich können in dem Kennfeld auch andere Lastfälle berücksichtigt sein. Wie zu sehen, steigt mit steigender Fahrgeschwindigkeit v, welche (auch) die aktuelle Fahrbetriebssituation charakterisiert, auch der zweite Temperaturanteil ΔT an. Folglich wird durch das Diagramm von 4 der in der aktuellen Fahrbetriebssituation vorliegenden Fahrgeschwindigkeit v und Beladung des Schienenfahrzeugs ein bestimmter zweiter Temperaturanteil ΔT der prädiktiven Reibelement-Temperatur T_pred kennfeldartig zugeordnet.
Bevorzugt wird bei dem Verfahren aber der zweite Temperaturanteil ΔT nicht explizit bestimmt. Wie oben bereits ausgeführt, steht der zweite Temperaturanteil oder Temperaturhub ΔT als „Temperaturreserve“ zur Verfügung, welcher einer Differenz zwischen der erlaubten Reibelement-Maximaltemperatur T_max hier des ersten Reibelements 1 und dem ersten Temperaturanteil T_current entspricht: $Δ T = T_{max} - T_{current}$
Ein Betrieb des Schienenfahrzeugs mit der optimalen Geschwindigkeit v_opt oder mit einer Geschwindigkeit v kleiner als die optimale Geschwindigkeit v_opt soll dann dazu führen, dass auch bei einer Ausführung der definierten Bremsart wie Not-, Zwangs- oder Schnellbremse die prädiktive Reibelement-Temperatur T_pred insbesondere stets kleiner oder gleich in Bezug auf eine erlaubte Reibelement-Maximaltemperatur T_max des wenigstens einen Reibelements der Reibungsbremse ist oder wird.
Hierzu wird bei dem Verfahren bevorzugt eine in 5 dargestellte funktionale Beziehung r zwischen dem ersten Temperaturanteil T_current und der optimalen Geschwindigkeit v_opt des Schienenfahrzeugs definiert oder bestimmt, in welcher der zweite Temperaturanteil ΔT der prädiktiven Reibelement-Temperatur T_pred bereits berücksichtigt wird. Dann wird die optimale Geschwindigkeit v_opt des Schienenfahrzeugs anhand der funktionalen Beziehung r abhängig von dem ersten Temperaturanteil T_current bestimmt.
In dem anhand von 5 erläuterten Beispiel fährt das Schienenfahrzeug mit einer Geschwindigkeit von 56 km/h und der erste Temperaturanteil T_current der Bremsscheibe 1 der Scheibenbremse von 1, welche hier beispielsweise als erstes Reibelement herangezogen wird, beträgt dabei 300 °C. Dieser erste Temperaturanteil T_current ist hier beispielsweise mittels eines Temperatursensors gemessen worden. Alternativ oder zusätzlich kann er auch durch ein in der Recheneinheit 7 implementiertes Modell aus anderen Größen geschätzt oder berechnet werden.
Der in diesem Fall entstehende Temperaturhub oder zweite Temperaturanteil ΔT durch eine fiktive Notbremsung entspricht dem Abstand der Kurve oder Funktion Γ von der erlaubten Reibelement-Maximaltemperatur T_max, welche in 5 durch eine gestrichelte Linie symbolisiert wird. Bei einer Geschwindigkeit v = 56 km/h und Tcurrent = 300° C ist der Temperaturhub oder zweite Temperaturanteil ΔT ≈ 30° C, welcher in 5 als ΔT_{EB_low} bezeichnet ist. Die aktuelle Geschwindigkeit v = 56 km/h, welche von der aktuellen Fahrbetriebssituation umfasst ist, ist daher zu gering, damit unter Annahme einer fiktiven Notbremsung die erlaubte Reibelement-Maximaltemperatur T_max = 400° C an der Bremsscheibe 1 erreicht wird.
Das bedeutet, dass alleine bezogen auf die thermische Belastbarkeit der Bremsscheibe 1 das Schienenfahrzeug schneller fahren könnte als mit der aktuellen Geschwindigkeit v = 56 km/h.
Die im Hinblick auf die thermische Belastbarkeit der Bremsscheibe 1 optimale oder maximal erlaubte Geschwindigkeit v_opt ist dann dem Diagramm von 5 entnehmbar, indem ausgehend von der aktuellen Fahrbetriebssituation $(v = \frac{56 k m}{h}, T c u r r e n t = 300 ° C)$
eine vertikale Gerade nach oben gezogen wird. Am Schnittpunkt dieser vertikalen Geraden mit der Funktion Γ liegt dann die Fahrbetriebssituation oder der Betriebspunkt des Schienenfahrzeugs, an welcher oder an welchem die prädiktive Temperatur T_pred gleich der erlaubten Reibelement-Maximaltemperatur T_max ist. Der zweite Temperaturanteil ΔT ist an diesem Schnittpunkt gleich 100° C und wird in 5 als ΔT_{EB_opt} bezeichnet. An diesem Schnittpunkt liegt in vertikaler Richtung gesehen daher die optimale oder maximal erlaubte Geschwindigkeit v_{opt_lokal}, welche beispielsweise 100 km/h beträgt, d.h., dass lediglich in Bezug auf die betrachtete Scheibenbreme das Schienenfahrzeug mit $v = \frac{100 k m}{h}$
am „thermischen Limit“ gefahren werden kann, ohne dass durch eine fiktive Notbremsung die erlaubte Reibelement-Maximaltemperatur T_max der Bremsscheibe 1 dieser Scheibenbremse überschritten wird.
Für den Geschwindigkeitsbereich $v > 100 \frac{k m}{h}$
ist allerdings die prädiktive Temperatur T_pred größer als die erlaubte Reibelement-Maximaltemperatur T_max der Bremsscheibe 1 (T_pred > T_max). Dann befindet man sich im thermisch kritischen Bereich. Der zweite Temperaturanteil ΔT ist in diesem Bereich zu groß und wird in 5 als ΔT_{EB_high} bezeichnet. Die Geschwindigkeit v des Schienenfahrzeugs muss daher entweder durch den Triebwagenführer, welchem die kritische Situation an der Anzeigeeinheit 9 angezeigt worden ist, und/oder automatisch durch die Regeleinheit 8 verringert werden, und zwar bestenfalls auf höchstens $v = 100 \frac{k m}{h} .$
Die Kurve oder Funktion Γ beinhaltet daher bereits den Einfluss einer fiktiven Bremsung unter der Bremsart „Notbremsung“ und daher bereits den Einfluss des zweiten Temperaturanteils oder Temperaturhubs ΔT auf die Bremsscheibe. Daher werden für in Frage kommende, oben genannte Bremsarten jeweils eigene Kurven oder Funktionen Γ gebildet und beispielsweise als Kennlinien in der Recheneinheit 7 abgespeichert.
Das Fahren am „thermischen Limit“ mit der optimalen oder maximal erlaubten Geschwindigkeit v_opt erlaubt daher das optimale Ausnutzen der thermischen Belastbarkeit der Bremsscheibe 1 der Scheibenbremse unter der Bedingung, dass auch durch eine fiktive Bremsung die erlaubte Reibelement-Maximaltemperatur T_max der Bremsscheibe 1 nicht überschritten wird. Diese Optimierung wird auch dadurch erreicht, dass man die tatsächliche Beladung des Zuges in Betracht zieht, nicht die maximal erlaubte Beladung. Trotz des oben beschriebenen temperaturgesteuerten Verfahrens muss natürlich stets der Fahrplan eingehalten werden, d.h. Stationen dürfen nicht schneller als üblich angefahren werden. Aber akkumulierte Verspätungen können durch schnelleres Fahren zwischen den Stationen wieder hereingeholt werden.
Auch muss nicht stets mit der optimalen Geschwindigkeit v_opt gefahren werden. Es könnte für einen Betreiber des Schienenfahrzeugs auch bereits ausreichend sein, dass die Bremsscheiben im Zug nie in kritische Temperaturbereiche kommen, d.h. auch ein langsameres Fahren wird akzeptiert.
Bevorzugt wird nicht nur für eine Scheibenbremse, sondern beispielsweise für eine Mehrzahl oder alle Scheibenbremsen des Schienenfahrzeugs die dann jeweils lokale optimale Temperatur v_{opt_lokal} ermittelt, wobei sich „lokal“ auf die Position der jeweiligen Scheibenbremse im Schienenfahrzeug bezieht.
Dann wird in einem Schritt 500 eine kriterienbasierte Bewertung der lokalen optimalen Temperaturen v_{opt_lokal} der Scheibenbremsen und eine Konsolidierung zu einer schienenfahrzeugweiten oder zugweiten optimalen Geschwindigkeit v_opt vorgenommen.
Beispielsweise kann für die Konsolidierung als optimale Geschwindigkeit v_opt des Schienenfahrzeugs die geringste oder kleinste lokale optimale Geschwindigkeit v_{_opt_local_min} unter den lokalen optimalen Geschwindigkeiten v__{opt_local} aller Scheibenbremsen herangezogen werden.
Diese optimale Geschwindigkeit kann dann in einem Schritt 600 dem Triebwagenführer an der Anzeigeeinheit 9 angezeigt werden. Zusätzlich können an der Anzeigeeinheit 9 beispielsweise Warn- oder Alarmsignale angezeigt werden, wenn kritische Temperaturbereiche der Scheibenbremsen erreicht sind. Auch könnte eine aktuell höchste Temperatur, beispielsweise die aktuell höchste prädiktive Temperatur T_pred und/oder der höchste erste Temperaturanteil T_current der betreffenden Scheibenbremse und die Lokalisierung der betreffenden Scheibenbremse beispielsweise zyklisch angezeigt werden. Schließlich ist auch eine insbesondere zyklische Anzeige der jeweiligen optimalen Geschwindigkeit v_opt des Schienenfahrzeugs denkbar.
Zusätzlich oder alternativ zu Schritt 600 kann in einem Schritt 700 die aktuelle Geschwindigkeit v auf die ermittelte optimale Geschwindigkeit v_opt durch die Regeleinheit 8 eingeregelt werden.
Es ist klar, dass das oben beschriebene Verfahren anstatt für die Bremsscheiben der Scheibenbremsen auch für die Bremsklötze sowie auch für jede Art von Reibungsbremse angewendet werden kann.
Bezugszeichenliste

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
Tcurrent: erster Temperaturanteil
ΔT: zweiter Temperaturanteil
Tpred: prädiktive Reibelement-Temperatur
Tmax: erlaubte Reibelement-Maximaltemperatur
vopt: optimale oder maximal zulässige Fahrgeschwindigkeit
v_opt_local: lokale optimale oder maximal zulässige Fahrgeschwindigkeit
r: Funktionale Beziehung zwischen der optimalen Geschwindigkeit v_opt und dem ersten Temperaturanteil T_current der prädiktiven Reibelement-Temperatur

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2018/054736 A1 [0005]

Claims

Verfahren zur Bestimmung einer optimalen oder maximal zulässigen Geschwindigkeit (v_opt) eines Schienenfahrzeugs abhängig von einem thermischen Zustand wenigstens eines Reibelements (1, 2) wenigstens einer Reibungsbremse des Schienenfahrzeugs, beinhaltend wenigstens die folgenden Schritte: a) Erfassen von wenigstens einem Parameter, welche eine aktuelle Fahrbetriebssituation des Schienenfahrzeugs charakterisiert, b) Bestimmen oder Schätzen eines ersten Einflusses auf den thermischen Zustand des wenigstens eines Reibelements (1, 2) auf der Basis der aktuellen Fahrbetriebssituation des Schienenfahrzeugs, gekennzeichnet durch wenigstens die folgenden weiteren Schritte: c) Bestimmen oder Schätzen eines zweiten Einflusses auf den thermischen Zustand des wenigstens einen Reibelements (1, 2), welcher zusätzlich zu dem ersten Einfluss den thermischen Zustand des wenigstens einen Reibelements (1, 2) beeinflussen würde, wenn in der aktuellen Fahrbetriebssituation des Schienenfahrzeugs eine Bremsung mit einer definierten Bremsart fiktiv oder theoretisch durchgeführt werden würde, d) Bestimmen der optimalen oder maximal zulässigen Geschwindigkeit (v_opt) des Schienenfahrzeugs derart, dass an dem wenigstens einen Reibelement (1, 2) unter dem ersten Einfluss und unter dem zweiten Einfluss d1) eine erlaubte Reibelement-Maximaltemperatur (T_max) des wenigstens einen Reibelements (1, 2) nicht überschritten wird, oder d2) sich die erlaubte Reibelement-Maximaltemperatur (T_max) des wenigstens einen Reibelements (1, 2) im Wesentlichen einstellt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der thermische Zustand des wenigstens eines Reibelements (1, 2) durch eine prädiktive Reibelement-Temperatur (T_pred) des wenigstens einen Reibelements (1, 2) repräsentiert wird, welche aus einem ersten Temperaturanteil (T_current) und einem zweiten Temperaturanteil (ΔT) besteht, wobei a) der erste Temperaturanteil (T_current) der prädiktiven Reibelement-Temperatur (T_pred) auf der Basis der aktuellen Fahrbetriebssituation des Schienenfahrzeugs als erster Einfluss geschätzt oder bestimmt wird, und dass b) eine funktionale Beziehung (r) zwischen dem ersten Temperaturanteil (T_current) und der optimalen oder maximal zulässigen Geschwindigkeit (v_opt) des Schienenfahrzeugs definiert wird, in welcher der zweite Temperaturanteil (ΔT) der prädiktiven Reibelement-Temperatur (T_pred) als zweiter Einfluss berücksichtigt wird, und wobei c) die optimale Geschwindigkeit (v_opt) des Schienenfahrzeugs anhand der funktionalen Beziehung (r) abhängig von dem ersten Temperaturanteil (T_current) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der thermische Zustand des wenigstens eines Reibelements (1, 2) durch eine prädiktive Reibelement-Temperatur (T_pred) des wenigstens einen Reibelements (1, 2) repräsentiert wird, wobei a) als erster Einfluss ein erster Temperaturanteil (T_currernt) der prädiktiven Reibelement-Temperatur (T_pred) auf der Basis der aktuellen Fahrbetriebssituation des Schienenfahrzeugs geschätzt oder bestimmt wird, und dass b) als zweiter Einfluss ein zweiter Temperaturanteil (ΔT) der prädiktiven Reibelement-Temperatur (T_pred) geschätzt oder bestimmt wird, welcher sich zusätzlich zu dem ersten Temperaturanteil (T_current) an dem wenigstens einen Reibelement (1, 2) einstellen würde, wenn in der aktuellen Fahrbetriebssituation des Schienenfahrzeugs eine Bremsung mit einer definierten Bremsart fiktiv oder theoretisch durchgeführt werden würde, wobei c) die Bestimmung der optimalen oder maximal zulässigen Geschwindigkeit (v_opt) des Schienenfahrzeugs derart erfolgt, dass eine Summe aus dem ersten Temperaturanteil (T_current) und dem zweiten Temperaturanteil (ΔT) c1) kleiner als eine erlaubte Reibelement-Maximaltemperatur (T_max) des wenigstens einen Reibelements (1, 2) ist, oder c2) im Wesentlichen der erlaubten Reibelement-Maximaltemperatur (T_max) des wenigstens einen Reibelements (1, 2) entspricht.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass falls in der aktuellen Fahrbetriebssituation des Schienenfahrzeugs festgestellt wird, dass a) die Summe aus dem ersten Temperaturanteil (T_current) und dem zweiten Temperaturanteil (ΔT) kleiner als die erlaubte Reibelement-Maximaltemperatur (T_max) ist, dann wird in der aktuellen Fahrbetriebssituation die aktuelle Geschwindigkeit (v) des Schienenfahrzeugs solange erhöht, bis sie im Wesentlichen der optimalen oder maximal zulässigen Geschwindigkeit (v_opt) entspricht, oder b) die Summe aus dem ersten Temperaturanteil (T_current) und dem zweiten Temperaturanteil (ΔT) größer als die erlaubte Reibelement-Maximaltemperatur (T_max) ist, dann wird in der aktuellen Fahrbetriebssituation die aktuelle Geschwindigkeit (v) des Schienenfahrzeugs solange reduziert, bis sie im Wesentlichen der optimalen oder maximal zulässigen Geschwindigkeit (v_opt) entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass falls festgestellt wird, dass bereits der erste Temperaturanteil (T_current) alleine größer als die erlaubte Reibelement-Maximaltemperatur (T_max) des wenigstens einen Reibelements (1, 2) ist, a) ein Warnsignal und/oder ein Diagnosesignal erzeugt wird, und/oder b) in der aktuellen Fahrbetriebssituation die aktuelle Geschwindigkeit (v) des Schienenfahrzeugs solange reduziert wird, bis der erste Temperaturanteil (T_current) kleiner als gleich in Bezug auf die die erlaubte Reibelement-Maximaltemperatur (T_max) des wenigstens einen Reibelements (1, 2) ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optimale Geschwindigkeit (v_opt) des Schienenfahrzeugs a) mittels einer Steuereinrichtung, welche die Traktion und/oder die Bremse des Schienenfahrzeugs steuert oder regelt, automatisch eingestellt wird, und/oder b) an einer Anzeigeeinrichtung optisch und/oder akustisch angezeigt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Parameter, welcher die aktuelle Fahrbetriebssituation charakterisiert, wenigstens einer der folgenden Parameter ist: Die aktuelle Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs, die aktuelle Bremskraft, das aktuelle Bremsmoment, der aktuelle Bremsdruck, die Umgebungstemperatur des Schienenfahrzeugs, die aktuelle Last und/oder Beladung des Schienenfahrzeugs, eine Steigung oder ein Gefälle der durch das Schienenfahrzeug befahrenen Strecke, eine Service-Bremsung oder eine Betriebs-Bremsung, mit einer Bremswirkung, welche geringer ist als die Bremswirkung bei der definierten Bremsart.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Reibelement (1, 2) eine Bremsscheibe und/oder einen Bremsbelag einer Scheibenbremse des Reibungsbremssystems, oder eine Radlauffläche und/oder einen Bremsklotz einer Klotzbremseinheit des Reibungsbremssystems beinhaltet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Einfluss auf den thermischen Zustand des wenigstens einen Reibelements (1, 2) auf der Basis der aktuellen Fahrbetriebssituation des Schienenfahrzeugs mittels eines Modells geschätzt und/oder anhand von Sensorsignalen einer Sensoreinrichtung des Schienenfahrzeugs bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die definierte Bremsart wenigstens eine der folgenden Bremsarten umfasst: Eine Notbremsung, eine Zwangsbremsung, eine Schnellbremsung, eine Gefahrbremsung.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schienenfahrzeug mehrere Reibungsbremsen mit jeweils wenigstens einem Reibelement (1, 2) umfasst, und dass für jede der mehreren Reibungsbremsen jeweils eine lokale optimale oder maximal zulässige Geschwindigkeit (v_{_opt_local i}) bestimmt wird, und dass als optimale oder maximal zulässige Geschwindigkeit (v_opt) des Schienenfahrzeugs die kleinste lokale optimale oder maximal zulässige Geschwindigkeit (v_{_opt_local_min}) unter den lokalen optimalen oder maximal zulässigen Geschwindigkeiten (v_{_opt_local}) der mehreren Reibungsbremsen herangezogen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schienenfahrzeug mehrere Reibungsbremsen mit jeweils wenigstens einem Reibelement (1, 2) umfasst, und dass für jede der mehreren Reibungsbremsen jeweils eine lokale optimale oder maximal zulässige Geschwindigkeit (v_{_opt_local i}) bestimmt wird, und dass als optimale oder maximal zulässige Geschwindigkeit (v_opt) des Schienenfahrzeugs eine aus den lokalen optimalen oder maximal zulässigen Geschwindigkeiten nach festgelegen Kriterien ermittelte optimale oder maximal zulässige Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs herangezogen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine aktuelle Geschwindigkeit (v) des Schienenfahrzeugs an die optimale oder maximal zulässige Geschwindigkeit (v_opt) angepasst wird.