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Verfahren zur Erfassung des Schleuderns und Gleitens der Treibräder
von Schienenfahrzeugen Bei Schienenfahrzeugen soll ein Durchdrehen der Treibräder
ohne kraftschlüssiges Abrollen vermieden werden. Man bezeichnet diesen Vorgang beim
Anfahren als. Schleudern und beim Bremsen als Gleiten. Dieses kann zustande kommen,
wenn die einzelnen Fahr- bzw. Bremsstufen in zu rascher Folge nacheinander eingeschaltet
werden, wenn der Reibungskoeffizient zwischen Treibrad und Unterlage durch Fallaub
oder Kondenswasserbildung auf der Schienenoberfläche vermindert wird oder durch
die bekannte Erscheinung der Achsdruckverlage.rung bei Drehgestellokomotiven. Es
besteht nun das Bedürfnis, das Schleudern bzw. Gleiten durch eine Signaleinrichtung
im Führerstand zur Anzeige zu bringen. Dieses Signal dient entweder dem Führer dazu,
wirksame Gegenmaßnahmen zu treffen oder kann in einer automatischen Steuerung dazu
benutzt werden, diese selbsttätig auszulösen.
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Bei einer Einrichtung dieser Art wird hierzu von je einer Lauf- und
einer Treibachse ein Tachodynamo angetrieben und deren Spannungen gegeneinander
in Reihe an die Spule eines Relais geschaltet. Bei einem Unterschied zwischen der
Drehzahl der Laufachse und der Treibachse, was einem Schleudern bzw. Gleiten der
Treibräder gleichkommt, wird das Relais erregt, wodurch dessen Kontakte den Stromkreis
des Antriebsmotors unterbrechen.
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Einrichtungen dieser Art sind jedoch bei vielen modernen Schienenfahrzeugen,
wie elektrischen Fern-, Nahverkehrs- und Straßenbahnen sowie Dieseltriebwagen, prinzipiell
ungeeignet, da dort ausschließlich Treibachsen vorhanden sind, so daß die tatsächliche
Wagengeschwindigkeit im Falle des Schleuderns und des Gleiters auf diese Weise nicht
gemessen werden kann. Bei elektrisch angetriebenen Schienenfahrzeugen hat man sich
daher in der Weise geholfen, daß man das Schleudern und Gleiten indirekt durch Potentialunterschiede
in den Stromkreisen der die einzelnen Achsen antreibenden Motoren erfaßt hat. Dieses
Verfahren erweist sich als unbrauchbar in den Fällen, in denen in gleicher Weise
ein Schleudern bzw. Gleiten aller Räder erfolgt, da dabei ja kein Potentialunterschied
auftritt, der ausgewertet werden könnte.
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Es sind auch schon Einrichtungen bekanntgeworden, die an Stelle des
tatsächlichen Beschleunigungswertes von einem konstanten Beschleunigungsgrenzwert
ausgehen, bei dem mit Sicherheit Schleudern bzw. Gleiten auftritt. Mit diesem Grenzwert
wird die gemessene Radbeschleunigung verglichen und bei Überschreiten des Grenzwertes
die Sicherheitseinrichtung betätigt. Die Festlegung dieses empirisch gewonnenen
Beschleunigungsgrenzwertes bereitet jedoch naturgemäß Schwierigkeiten, wenn man
ihn zur optimalen Ausnutzung der Zugkraft des Fahrzeuges in die Nähe des Wertes
legen will, an dem gerade das Schleudern bzw. Gleiten tatsächlich beginnen würde.
Je nach Schienenzustand oder Belastung des Triebfahrzeuges ergeben sich wesentlich
verschiedene Werte für den festeinstellenden Vergleichswert der Grenzbeschleunigung.
Um ein unnötiges Ansprechen der Sicherheitseinrichtungen zu vermeiden, ist man daher
bei den bekannten Anordnungen gezwungen, den Grenzwert so zu wählen, daß er um ein
Vielfaches über den Wert liegt, bei dem das Schleudern bzw. Gleiten tatsächlich
beginnt. Dadurch greifen aber die Sicherheitseinrichtungen prinzipiell erst dann
ein, wenn das Schleudern bzw. Gleiten bereits in vollem Gang ist. In der Regel ist
dies unerwünscht, da man ja eine fehlerhafte Betriebsweise sobald wie möglich abstellen
will.
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Wie zum Zwecke des Achslastausgleiches bekannt ist, läßt sich die
momentane Beschleunigung des Fahrzeuges durch ein Pendel messen, dessen Maße entweder
durch feste Körper oder durch eine Flüssigkeit gebildet wird. Für die durch die
Erfindung zu lösende Aufgabe kommt es jedoch nicht nur auf die Messung der Fahrzeugbeschleunigung
an, sondern auf das Zeitintegral ihres Unterschiedes gegenüber der Radbeschleunigung.
Nur dadurch wird es möglich, eindeutig den Beginn und das Ende des Schleuderns bzw.
Gleiters festzustellen und dann entsprechend die Sicherheitseinrichtungen einfallen
zu lassen, so daß es einmal gar nicht erst zu überhöhten
Schleuderdrehzahlen
kommen kann und zum anderen es möglich wird, unabhängig vom Schienenzustand und
der Belastung des Fahrzeuges das jeweils maximal mögliche Antriebs- und Bremsmoment
auszunutzen.
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Die Erfindung bezieht sich daher auf ein Verfahren zur Erfassung des
Schleuderns oder Gleitens der Treibräder bei laufachsenlosen Schienentriebfahrzeugen,
wobei der Bewegungszustand der angetriebenen Räder sowie der des Fahrzeuges gemessen
und miteinander verglichen werden und daraus ein Signal abgeleitet wird, das für
die Dauer des Schleuderns bzw. Gleitens anhält. Es ist dadurch gekennzeichnet, daß
die Beschleunigung der angetriebenen Räder sowie des Fahrzeuges e.rfaßt werden und
daß der Beginn des Schleuder- bzw. Gleitsignals durch das Auftreten eines Unterschiedes
zwischen den Beschleunigungen von Treibrad und Fahrzeug und das Ende desselben durch
das Verschwinden des Zeitintegrals des Beschleunigungsunterschiedes bestimmt ist.
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Durch die Integration des Unterschiedes zwischen der Beschleunigung
des oder der Treibräder und der des Fahrzeugs, wobei letztere direkt aus der linearen
Geschwindigkeitsänderung des Fahrzeugs gewonnen wird, ist es möglich, ein eindeutiges
Kriterium für das Auftreten von Schleudern oder Gleiten zu erhalten. Da ein durch
Integration gewonnenes Signal sich prinzipiell durch eine endliche Anstiegsgeschwindigkeit
auszeichnet, wird vorgeschlagen, den Beginn des Schleuderns bzw. Gleitens durch
ein dem Beschleunigungsunterschied selbst entsprechendes Signal zur Anzeige zu bringen
und zur Bestimmung der Beendigung des Schleuder- oder Gleitvorganges das Verschwinden
des Zeitintegrals des Beschleunigungsunterschiedes auszuwerten. Man erreicht dadurch
zu Beginn des Schleuderns bzw. Gleitens größere Signalamplituden, was insbesondere
dann von Wichtigkeit ist, wenn das Schleuder- bzw. Gleitsignal nicht nur zur Anzeige
des Schleuderns bzw. Gleitens an sich dient, . sondern von nachgeschalteten Stellgliedern
in einer selbsttätig arbeitenden Schleuderschutzeinrichtung im Sinne einer schnellen
Behebung des Schleuderns bzw. Gleitens verarbeitet werden muß.
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Das Wesen der Erfindung soll im folgenden an einer nur als Beispiel
zu wertenden Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens näher
erläutert werden, wozu auf die Zeichnung Bezug genommen wird.
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Ein mit dem zu überwachenden Treibrad 1
mechanisch gekuppelter
Tachodynamo 2 liefert eine der Radgeschwindigkeit v, proportionale Spannung an ein
Differenzierglied, dessen Übergangsfunktion in dem mit 3 bezeichneten Kästchen dargestellt
ist, so daß am Ausgang desselben eine der Radbeschleunigung proportionale Größe
auftritt. An Stelle des dargestellten, aus Tachodynamo 2 und Differenzierglied 3
bestehenden Beschleunigungsgebers kann auch ein Drehbeschleunigungsgeber verwendet
werden, der mit der entsprechenden Treibachse mechanisch gekuppelt ist. Zur Messung
der Wagenbeschleunigung wird ein linearer Beschleunigungsmesser 4 verwendet. Dieser
kann ein seismisches System enthalten, das auf jede in seine empfindliche Achse
fallende Beschleunigung anspricht. Derärtige unter Anwendung des Trägheitsgesetzes
arbeitende Beschleunigungsgeber sind an sich bekannt. Die gemessenen Werte der Wagenbeschleunigung
b" und der Radbeschleunigung b, werden laufend in einer durch einen Kreis dargestellten
Vergleichseinrichtung 5 miteinander verglichen. Das Ergebnis dieses Vergleichs wird
über einen Schwellwertfühler 6 an den einen Eingang eines Oder-Gatters 7 gegeben.
Unter einem Schwellwertfühler wird ein Glied verstanden, dessen Ausgangsspannung
nur dreier Werte fähig ist. In dem den Schwellwertfühler 6 darstellenden Kästchen
ist dessen statische Kennlinie, das heißt die Ausgangsgröße -, als Funktion der
Eingangsgröße F dargestellt. Man erkennt daraus, daß eine von der Richtung der Eingangsgröße
abhängige Ausgangsgröße _z auftritt, sobald F eine gewisse Schwelle überschreitet.
Auf diese Weise können kleine Schwankungen der Eingangsgröße, deren Ursache meist
nicht definiert werden kann und die in ihrer Auswirkung nicht berücksichtigt zu
werden brauchen, unterdrückt und so eine Beruhigung in der Betriebsweise der gesamten
Anordnung erzielt werden.
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Das Ergebnis des Beschleunigungsvergleichs wird außerdem noch einem
Integrator 8 zugeführt, der beispielsweise aus einem kapazitiv gegengekoppelten
elektronischen Verstärker bestehen kann und dessen Ausgangsspannung in ihrem zeitlichen
Verhalten nach plötzlichem Anlegen einer konstanten Eingangsspannung (Übergangsfunktion)
in dem betreffenden Kästchen angedeutet ist. Der Ausgang des Integrators 8 ist über
einen weiteren Schwellwertfühler 9 auf den anderen Eingang des Oder-Gatters 7 geführt.
Ein Oder-Gatter besitzt bekanntlich mehrere Eingänge und einen Ausgang und liefert
nur dann ein Ausgangssignal, wenn an irgendeinem seiner Eingänge ein Signal ansteht.
Das Ausgangssignal S des Oder-Gatters bewirkt das Anlaufen des Integrators $, zum
Beispiel auf die Weise, daß es ein Schaltglied 10 betätigt, wodurch der Integrator
8 an seine Stromversorgung 11 angeschaltet wird.
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F i g. 2 soll verdeutlichen, wie und an welchen Stellen des Fahrzeugs
die Beschleunigungen gemessen werden können. Der lineare Beschleunigungseber 4 kann
grundsätzlich an jeder beliebigen Stelle des Fahrzeugs angebracht werden. Zur Vermeidung
des störenden Einflusses der beim Fahren auftretenden Nickschwingungen wird es sich
jedoch empfahlen, ihn z. B. in der Nähe des Fahrzeugschwerpunktes, also etwa in
der Mitte des Fahrzeugs, anzubringen.
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Zur Erläuterung der Wirkungsweise der Einrichtung nach F i g. 1 sei
auf die Diagramme gmiä.ß F i g. 3 und 4 verwiesen. F i g. 3 stellt die Radgeschwindigkeit
v, und die Wagengeschwindigkeit v" als Funktion der Zeit für Anfahr-, Fahr- und
Brenisbexrieb dar, F i g. 4 die zugehörigen Werte der Radbeschleunigung b, und der
Wagenbeschleunigung b, Der Maßsaab der Zeitachse ist für beide Diagrarmt derselbe.
Bis zum Zeitpunkt t1 wird zunächst mit stetig wachsender Geschwindigkeit, also konstanter
Beschleunigung angefahren. Von diesem Moment beginnt das betrachtete angetriebene
Rad infolge der eingangs erwähnten Einflüsse zu schleudern, d. h., die Radgeschwindigkeit
und die Radbeschleunigung werden größer als die Wagengeschwindigkeit bzw. die Wagenbeschleunigung.
Der Unterschied in den bei= den Beschleunigungen verursacht über den Schellwertfühler
6 am Ausgang das Schleudersignal S, welches seinerseits den Integrator 8 in Tätigkeit
setzt, so daß etwa ab dem Zeitpunkt t, der Beschleuajgungsunterschied integriert
wird. Auf das Signal S hin wird entweder selbsttätig oder dure4 ent"
sprechende
Betätigung des Fahrzeugführers außerdem die Schleuderschutzennrich tung eingeschaltet,
die ungefähr zur Zeit t. wirksam wird und die Geschwindigkeit des angetriebenen
Rades so lange verringert, bis sie mit der des Wagens wieder übereinstimmt, das
Schleudern also beendet ist. Dies ist dann der Fall, wenn das Zeitintegral des Unterschiedes
von Wagenbeschleunigung und Radbeschleunigung verschwindet oder, wie aus F i g.
4 deutlich wird, wenn die gestrichelten Flächen F1 und F2 einander gleich sind.
Dann liegt an keinem der beiden Eingänge des Oder-Gatters 7 eine Spannung, so daß
das Schleudersignal S verschwindet. Für das Gleiten beim Bremsvorgang, das zum Zeitpunkt
t. beginnen soll, gelten die geschilderten Verhältnisse in analoger Weise.
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Die Betrachtung der Punkte A und Bin F i g. 4, bei denen
die Beschleunigungen zwar angenähert gleich, die Geschwindigkeiten jedoch verschieden
sind, zeigt, daß es nicht ausreicht, den Unterschied in der Beschleunigung auszuwerten,
sondern daß vielmehr allein dessen Zeitintegral ein eindeutiges Kriterium dafür
ist, daß wieder Übereinstimmung zwischen der Wagengeschwindigkeit v", und der Radgeschwindigkeit
v, herrscht.
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Es kann sich fernerhin als zweckmäßig erweisen, das am Ausgang des
Integrators 8 verfügbare Signal S' als Maß für die Größe des Unterschiedes von Wagengeschwindigkeit
vw und Treibradgeschwindigkeit vr zu verwenden. Damit kann der Schleudervorgang
auch quantitativ erfaßt worden. Dies kann z. B. von Bedeutung sein, wenn gefordert
wird, daß die Schleuderschutzeinrichtung erst bei Erreichen eines bestimmten Wertes
des Unterschiedes vorgenannter Geschwindigkeiten wirksam werden soll.