制动装置以及用于均匀制动的方法与流程

本发明涉及一种轨道车辆的制动装置，该制动装置包括制动执行器和由该制动执行器可移动的制动衬片以及与该制动衬片配合作用的制动盘(该制动盘与车轮不可相对转动地连接)，以用于按照电子控制单元的制动要求产生减慢轨道车辆的制动力，其中，该制动力根据通过将制动衬片压紧到制动盘上产生的法向力以及根据与制动衬片和制动盘的相对速度、材料以及温度相关的摩擦系数产生。

此外，本发明也涉及一种用于提供按照本发明的制动装置的方法以及一种用于运行该制动装置的方法。

本发明的应用领域扩展至轨道车辆，在所述轨道车辆中进行制动，其方式为：执行器将制动衬片压靠在例如固定在车轮上的或车轮的轴上的制动盘上。所述执行器因此直接产生法向力、即垂直地处于制动盘表面上的力，该力然而通过制动衬片与制动盘之间的摩擦变为制动力。在此，在法向力与制动力之间获得所谓的摩擦系数。在此，较高的摩擦系数导致较高的制动力。

值得期望的是，能够尽可能准确地对轨道车辆的制动特性进行预告，或能够尽可能有控制地制动轨道车辆。尤其是存在如下标准：该标准例如规定例如客运列车的最大制动加速度。因为被操控用于制动的器件是制动衬片，并且尤其是制动衬片在制动盘上的法向力是预先给定的，所以值得期望的是推断出由制动衬片以及制动盘组成的制动器的摩擦系数。

为了制动轨道车辆，在普遍已知的现有技术中控制压力由列车驾驶员预先给定并且通过操纵装置控制输入，以便触发制动过程。由此，通过例如气动或液压或电动机械地驱动的执行器产生法向力，制动衬片通过该法向力挤压到不可相对转动地与车轮连接的制动盘上。通过摩擦系数促成制动地作用到所述车轮上的制动力。此外，最终的制动力取决于车轮大小与制动盘大小的商。尤其是在现有技术中常见的制动装置中使用的模型中从时间上恒定的摩擦系数出发。所述摩擦系数典型地例如在0.3与0.4之间。

由wo2010/069520a2得出一种轨道车辆的制动设备，在该制动设备中为了控制成均匀的制动过程，通过在轨道车辆的车轮上或车轮组上附加的传感装置进行各种不同的测量。对此不利的首先是所述附加的传感装置，该传感装置必须被安装在这样的列车上并且进行评估。

由wo2013/034693a2得出一种用于轨道车辆的制动设备的控制装置，在该控制装置中另外使用制动力传感器以用于控制制动过程。对此不利的是靠近旋转部件且也靠近道床的附加的传感装置，以及其他的环境影响，如例如未考虑的制动盘或车轮的温度影响。

本发明的任务在于，提供一种轨道车辆的制动装置，该制动装置能够以最小的传感器费用实现均匀的制动力变化曲线。

所述任务从根据权利要求1的前序部分的制动装置出发结合该权利要求的特征部分的特征来解决。后面的从属权利要求给出了本发明的有利的进一步改进方案。两个涉及本发明的方法在权利要求11和12中提出。

本发明包括下述技术教导：在控制单元中存储至少一个制动参数变化曲线，该制动参数变化曲线基于摩擦系数变化曲线，该摩擦系数变化曲线在从初始速度到目标速度的制动过程中在恒定法向力以及各试验台参数的组合的情况下产生，并且所述控制单元具有计算单元，该计算单元按照制动要求根据所述至少一个制动参数变化曲线在时间上调制法向力变化曲线，以便产生额定制动力变化曲线。

在一种优选的特殊情况下，目标速度在此等于零。这对应于经常出现的全制动或快速制动的情况。

按照本发明的制动装置的优点尤其在于：不借助同时地或者说在行驶期间获得的通过传感器测定的数据进行调制法向力，而是首先借助之前定义的、例如在试验台如惯性试验台中所记录的摩擦系数变化曲线。例如可以之前在试验台中记录与轨道车辆相对应的模型的制动衬片和制动盘的摩擦系数的变化曲线，并且该摩擦系数变化曲线被存储在控制单元中。然后在运行中、即在试验台之外可能的是，例如通过加热制动衬片或制动盘或其他效果引起的摩擦系数波动通过例如相反地调制操纵制动衬片的执行器的法向力得以补偿。

按照改进本发明的一种措施，所述基于摩擦系数变化曲线的制动参数变化曲线对应于法向力(该法向力必须由执行器产生)的被计算出来的变化曲线，以便产生所希望的额定制动力变化曲线。替代地，并且同样优选地也可能的是，代替于此将摩擦系数变化曲线本身存储在控制单元上，从而控制单元的电子计算单元在运行中可以借助已存储的摩擦系数变化曲线计算或估计必需的法向力。

按照本发明的一种有利的构造形式，额定制动力变化曲线在时间上很大程度上是恒定的。由此，特别简单地例如遵守法律法规。尤其是当假设一种理想的附着系数利用、即在轨道上车轮无打滑地运动时，这也导致列车或轨道车辆在时间上恒定的制动加速或制动延迟。

本发明的一种有利的实施形式规定，制动参数变化曲线与试验台参数的组合相关联。在此优点在于，通过所述关联，制动参数变化曲线可以通过与相应的变化曲线相关联的试验台参数的说明来选择。例如，所述关联可以在实验台上的试验中或通过数字模拟构建。

本发明的一种优选的实施形式规定，所述制动参数变化曲线作为输入值存储在n维的试验台矩阵中，其中，该试验台矩阵的每个输入值由一个制动参数变化曲线构成，并且每个输入值与n个试验台参数的一个组合相关联。因此，在行驶期间可以选择例如在试验台中所使用的参数，这些参数最接近当前的、即在行驶期间存在的参数，以便因此从试验台矩阵中选出合适的输入值。借助存在于一个制动参数变化曲线(该制动参数变化曲线例如包含法向力或制动值)中的输入值，然后可以促成法向力的相应调制，由该调制产生所希望的额定制动力变化曲线。在此，所述试验台矩阵的每个维度可以与连续值、例如初始速度的离散阶形相关，亦或与较少的离散参数、例如制动衬片的材料或制动盘的材料相关。

本发明的一种有利的进一步改进方案规定，用于调制法向力的计算单元在矩阵的各输入值之间进行内插和/或此外进行外插。因此可能的是，当应该选择用于一种参数组合的制动参数变化曲线时，该制动参数变化曲线正好未明确地存储在试验台矩阵中，仍可以通过内插计算出在本发明的意义上可用的制动参数变化曲线。

本发明的一种改善措施包括：所述制动变化曲线能够作为试验台参数的函数进行计算。在此，电子存储的函数可以采用试验台参数作为自变量并且作为计算结果提供制动变化曲线，例如通过在函数中执行的内插。

有利地，试验台参数包含在试验台参数组中，该试验台参数组主要配置有轨道车辆的初始速度、轨道车辆的最终速度、车轮的初始旋转速度、车轮的直径、制动盘的有效直径、法向力、制动盘材料、制动衬片材料、轨道车辆的质量、轨道车辆的初始动能、轨道车辆的初始脉冲、制动衬片的初始温度、制动盘的初始温度、车轮的环境温度、制动过程的持续时间以及至少最后一次制动的时间点和持续时间、以及按具体情况其他相关的参数。在此，所述有效直径对应于距车轮的轴或轴线的两倍距离，在该车轮中制动衬片有效地与制动盘配合作用。

所有所述参数能够在试验台中测量并且对于摩擦系数变化曲线或由此要求的法向力变化曲线的形状是重要的。尤其是制动衬片的初始温度和制动盘的初始温度虽然在没有附加传感装置的情况下不能与按照本发明的制动装置相关联地测量，然而可以例如选择已知的环境温度作为制动盘和制动衬片的初始温度。另外，通过了解之前的制动，能够附加地估计当前的温度。

本发明的另一种改善措施规定，计算单元计算制动盘和/或制动衬片的温度。这样的计算借助温度模型实施，该温度模型考虑到尤其是制动盘的材料特性和结构上的特性。因此，例如通过了解环境温度以及至今已进行的制动，能够计算制动盘和/或制动衬片的温度，以便例如能够从试验台矩阵中选出尽可能合适的输入值。

一种用于产生至少一个摩擦系数变化曲线以用于将该摩擦系数变化曲线存储在控制单元中、即可以说对控制单元编程的方法规定，在惯性试验台中在制动衬片在制动盘上的恒定法向力的情况下测量制动盘和制动衬片的摩擦系数变化曲线。通过针对多个不同的试验参数(例如列车的初始速度和最终速度、列车质量、车轮的旋转速度、制动衬片和制动盘的材料)进行测量，能够构建试验台矩阵，该试验台矩阵按照本发明使得在运行中测量例如温度或制动力变得多余的。

一种涉及制动装置运行的方法规定，按照制动参数变化曲线在时间上调制制动衬片在制动盘上的法向力，该制动参数变化曲线根据当前参数从试验台矩阵中选择。由此，然后理想地产生额定制动力变化曲线、尤其是在时间上恒定的制动力变化曲线。

下面通过借助附图描述本发明的优选的实施例共同详细地示出其它的改善本发明的措施。其中：

图1示出按照本发明的制动装置的示意图，

图2示出按照本发明的用于运行该制动装置的方法的方框图，以及

图3示出用于评估制动装置运行的图表。

按照图1，这里未进一步示出的轨道车辆具有制动装置1，该制动装置又包含控制单元2，该控制单元又包含计算单元3和存储单元4，其中，所述制动装置1此外包含制动执行器5以及与制动执行器配合作用的制动衬片6，该制动衬片能够在法向上被压紧到车轮8的制动盘7上。未示出其他可选的制动执行器、制动衬片以及制动盘，所述制动执行器、制动衬片以及制动盘能够与其他可选的车轮配合作用。

此外，所述计算单元与速度传感器9以及温度传感器10建立通信连接，所述速度传感器和温度传感器记录列车的行驶速度以及在制动装置1附近的环境温度。连同存储在存储单元4中关于列车质量11或关于按份额与制动装置1有关的质量、制动衬片材料12以及制动盘材料13的信息，该计算单元因此可以从存储在存储单元4中的试验台矩阵14检索之前在试验台中被测量的摩擦系数变化曲线15，在所述摩擦系数变化曲线时在类似或相同的参数的情况下利用制动衬片6在制动盘7上的恒定法向力进行了制动。

现在，通过了解了所述摩擦系数变化曲线15，可以在时间上调制法向力，从而产生在时间上恒定的制动力变化曲线。尤其是，所述制动装置不具有制动力传感器或没有用于检测摩擦系数的测量装置。

图2示出所述方法的方框图。在制动过程开始时存在的法向力16、制动盘7的速度17、环境温度18以及列车的动能19用作计算或检索或内插摩擦系数变化曲线15的输入值。在估计器模块20中，检索相应的摩擦系数变化曲线15，或相应的摩擦系数变化曲线例如由在此未示出的试验台矩阵14进行内插或外插得到，该摩擦系数变化曲线在相应的参数的情况下在惯性试验台中测量。此外，所述摩擦系数变化曲线15、即与时间相关的摩擦系数被传输给温度模块21，该温度模块借助所述摩擦系数计算尤其是制动盘7的温度。所述温度又可选地传输给估计器模块20，以用于更准确地确定摩擦系数变化曲线15，这允许较可靠地补偿摩擦系数变化曲线的波动。然后，由已计算的摩擦系数变化曲线15可以确定理想的法向力变化曲线22，该法向力变化曲线可用于获得尽可能恒定的制动力。在此，例如提高的法向力补偿降低的摩擦系数。

图3记录三个图表，这些图表示出按照本发明的制动装置1在制动过程中关于在水平轴线上绘制的距离s(以米测量)的工作方式。

一方面，绘制在恒定法向力的情况下的摩擦系数变化曲线15，该摩擦系数变化曲线例如在现有技术中出现或该摩擦系数变化曲线在惯性试验台中被测量。在此，摩擦系数变化曲线15的数值对应于绘制在右侧轴上的值的十分之一。例如可看出，摩擦系数变化曲线15起初尤其是由于加热而下降，并且然后邻近制动过程结束时(主要由于减慢轨道车辆引起地)强烈地升高。在邻近制动过程结束时摩擦系数升高也可以典型地在声学上察觉到。

因此，按照本发明被补偿的制动压力变化曲线23(针对右侧轴绘制的，该轴表示以巴为单位的压力p)或者说对应地按照本发明被补偿的在此未示出的法向力变化曲线22在邻近制动过程结束时降低，以便补偿摩擦系数变化曲线15的升高。因此，轨道车辆的制动延迟或加速度24(针对左侧轴绘制的，该轴表示以m/s^2的加速度a)在整个制动持续时间上或在整个制动距离上几乎是恒定的。

本发明不局限于上面说明的优选的实施例。而是也能够设想由此出发的变型，所述变型被所附的权利要求的保护范围包括。

因此例如也可能的是，制动参数变化曲线不以具有多个网络点的曲线的形式、而是以分析函数的形式、例如以傅里叶级数或泰勒级数的形式存储。制动值变化曲线也可以不同于存储在矩阵中、而是例如存储在函数中，使得制动值变化曲线可以由各试验台参数的组合计算。

制动执行器例如也可以气动地、电动机械地或液压地作用，并且制动盘例如可以安装在轴上或车轮的车轮组轴上以替代安装在车轮上。

附图标记列表

1制动装置

2控制单元

3计算单元

4存储单元

5制动执行器

6制动衬片

7制动盘

8车轮

9速度传感器

10温度

11列车质量

12制动衬片材料

13制动盘材料

14试验台矩阵

15摩擦系数变化曲线

16法向力

17速度

18环境温度

19动能

20估计器模块

21温度模型

22法向力变化曲线

23制动压力变化曲线

24加速度