EP4339057A1 - Verfahren zum ansteuern einer digitalen automatischen kupplung von schienenfahrzeugen und eine solche digitale automatische kupplung - Google Patents

Verfahren zum ansteuern einer digitalen automatischen kupplung von schienenfahrzeugen und eine solche digitale automatische kupplung Download PDF

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Publication number
EP4339057A1
EP4339057A1 EP23194073.5A EP23194073A EP4339057A1 EP 4339057 A1 EP4339057 A1 EP 4339057A1 EP 23194073 A EP23194073 A EP 23194073A EP 4339057 A1 EP4339057 A1 EP 4339057A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
actuator
electric motor
buffer
motor
clutch
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP23194073.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Erich Fuderer
Michael Mathieu
Cheng Liu
Josep CABESTANY PONS
Leonid Pedurjan
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Knorr Bremse Systeme fuer Schienenfahrzeuge GmbH
Original Assignee
Knorr Bremse Systeme fuer Schienenfahrzeuge GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Knorr Bremse Systeme fuer Schienenfahrzeuge GmbH filed Critical Knorr Bremse Systeme fuer Schienenfahrzeuge GmbH
Publication of EP4339057A1 publication Critical patent/EP4339057A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61G—COUPLINGS; DRAUGHT AND BUFFING APPLIANCES
    • B61G3/00—Couplings comprising mating parts of similar shape or form which can be coupled without the use of any additional element or elements
    • B61G3/16—Couplings comprising mating parts of similar shape or form which can be coupled without the use of any additional element or elements with coupling heads rigidly connected by rotatable hook plates or discs and balancing links, the coupling members forming a parallelogram, e.g. "Scharfenberg" type
    • B61G3/20—Control devices, e.g. for uncoupling

Definitions

  • the invention relates to a method for controlling a digital automatic coupling of rail vehicles according to the preamble of claim 1.
  • the invention also relates to such a digital automatic coupling.
  • DAK Digital Automatic Coupling
  • the Scharfenberg coupling is known, for example. It is a rigid center buffer coupling.
  • the principle of the Scharfenberg coupling is used by the DAK both on passenger trains and is preferred by the DAK for freight trains.
  • the coupling process is purely mechanical, which is implemented via a hook disk and spring assemblies in each coupling head.
  • Electro-pneumatic actuators are generally used for this purpose in passenger trains. The situation is different for freight trains, which is why an electromechanical solution is preferred.
  • An electromechanical actuator works using an electric motor that converts electrical energy into mechanical energy. If the actuator is activated, the rotor in the electric motor rotates. This rotational movement is further transmitted to a threaded spindle via a gear stage.
  • the threaded spindle is installed stationary in its axial direction.
  • a spindle nut is screwed onto the threaded spindle, which is non-rotatable but linearly movable in a linear guide.
  • the rotary movement of the threaded spindle is converted into a linear movement by means of the spindle nut, the linear movement being transmitted to a guide tube connected to the spindle nut, which applies a corresponding force to the hook disk in order to pivot it from a coupling position into an uncoupling position.
  • the electromechanical actuator can be moved back to its starting position.
  • the problem here is that on a hump and depending on the load, the trains/wagons (e.g. with liquids) can re-engage, which is not desirable. In such a case, the clutches must not engage again. The actuator may only be retracted when the clutches have actually and irreversibly moved away from each other.
  • the object of the invention is to provide a suitable method for controlling digital automatic couplings of rail vehicles, whereby the above-mentioned disadvantages are eliminated or at least significantly reduced and offer a practical, reliable and also cost-effective solution.
  • Another task is to create an arrangement with a digital automatic coupling of a rail vehicle.
  • One inventive idea is to create a novel control concept for the decoupling process using an electromechanical actuator, which will be used in the DAC.
  • a concept that is advantageously simple in terms of control is provided with standard components available on the market.
  • a method for controlling a digital automatic clutch of a rail vehicle wherein the digital automatic clutch is a center buffer clutch and a hook disk with a drive section, an actuator with an actuating element which is connected to the Drive section of the hook disk is in cooperation, has an electric motor with a motor brake, limit switch and a control device, comprises the method steps (VS1) uncoupling by first releasing the motor brake, switching on the electric motor of the actuator in a first direction of rotation and adjusting the actuating element of the actuator a starting position into an end position, with the hook disk being pivoted into its uncoupling or buffer position; (VS2) Maintaining the end position of the actuator in the buffer position by applying the engine brake and then switching off the actuator's electric motor; and (VS3) adjusting the actuating element of the actuator from the buffer position to the starting position by releasing the motor brake and then switching on the electric motor of the actuator in a second direction of rotation opposite to the first direction of rotation when a switching signal of an external command is present or when a signal is present, that
  • the motor brake With a "normally open” motor brake, the motor brake is supplied with power to build up the holding torque. In this case, the motor brake is connected to the power supply, i.e. switched on.
  • a particular advantage is the solution to the problem that on a hump and depending on the load, the trains/wagons (e.g. with liquids) can re-engage, which is undesirable. In such a case, the couplings must not come together again. The actuator may only be retracted when the clutches have actually and irreversibly moved away from each other. This solution is advantageously easily achieved by the method according to the invention.
  • the invention creates a suitable concept for this with the advantages of a practical, reliable and also cost-effective solution.
  • an engine brake is used in the system in addition to the engine.
  • the motor brake is basically designed and used as a holding brake in the system. Using such a holding brake, the drive can... hold its position for a very long time, even when extended, where torque is applied to the drive shaft. By using the engine brake, the engine can be relieved in such situations, which offers both energy, thermal and cost advantages.
  • buffer position Another important advantageous aspect of the present control concept is the buffer position, which can now also be implemented with an electromechanical actuator using the motor brake.
  • the engine brake takes over and holds the buffer position, so that unwanted re-engagement is not possible.
  • a digital automatic coupling of a rail vehicle wherein the digital automatic coupling is a center buffer coupling with a housing and a hook disk with a drive section, an actuator with an actuating element which cooperates with the drive section of the hook disk, an electric motor with a motor brake, limit switches and comprises a control device, is characterized in that the actuator has a ball screw drive with a threaded spindle and a spindle nut, which is firmly connected to the actuating element and is guided in a rotationally fixed manner so that it can be moved longitudinally in the actuator, and a gearbox through which the electric motor and the threaded spindle are coupled are.
  • the transmission with at least one gear stage serves as a mechanical transmission stage in order to achieve a higher torque on the output shaft, ie on the threaded spindle, and at the same time reduce the speed.
  • the ball screw easily converts a rotary movement into a translational or linear movement.
  • the limit switches are used to detect the start and end positions of the actuator, because intermediate positions do not have to be approached in this application. Sensors or encoders for detecting the angle of rotation or similar are more expensive, more complex and also require more installation space and are not required here.
  • the electric motor is switched on after a predetermined time delay. This advantageously simply ensures that the engine brake is completely released beforehand and the electric motor therefore does not have to work against an engine brake that is still blocked and a lot of energy is consumed or heated unnecessarily.
  • Another embodiment of the method provides that the electric motor is switched off after a predetermined time delay. This is advantageous because in this way the rotation of the rotor of the electric motor is already blocked by the motor brake when it is switched off, thus preventing the rotor from twisting under load.
  • the starting position and the end position of the actuator are determined by limit switches, the limit switches being actuated by the actuating element of the actuator or by an element firmly connected to the actuating element of the actuator.
  • Limit switches are advantageously cost-effective, high-quality components and are available on the market. Its operation is advantageously possible simply through mechanical parts or projections on already existing components, for example through the spindle nut. Another advantage is a compact design and simple electrical signal generation using simple switching contacts to obtain binary signals “ON” and “OFF”.
  • the electric motor is switched into a short-circuit position in a de-energized state in the starting position and/or in the end position of the actuator by means of a motor control. whereby the electric motor forms an electrodynamic brake.
  • the electric motor forms an electrodynamic brake.
  • One embodiment of the method provides that the motor current of the electric motor is monitored and evaluated, in particular by means of at least one current sensor and an evaluation. This makes detection advantageously simple of loads on the electric motor, which can cause damage to the electric motor, for example when the hook disk is already engaged, in the event of possible operating errors, etc. However, if this is detected, the energy supplied to the electric motor can be throttled or switched off in order to prevent damage.
  • a supply voltage for the electric motor of the actuator is provided via an adjustable voltage source and/or by means of pulse width modulation. In this way, it is advantageously possible to easily adapt the speed and torque of the electric motor to the respective operating state.
  • Yet another embodiment of the method provides that in method step VS3 adjustment, the signal that a center buffer clutch to be decoupled has moved away from the center buffer clutch as a counter-coupling is generated by means of a further limit switch, which interacts with the center buffer clutch to be decoupled as a counter-coupling.
  • the removal of the counter-coupling is thus advantageously detected by a limit switch, which is an advantageously inexpensive, high-quality component and is actuated in a simple manner by a component or a contact section of the counter-coupling.
  • One embodiment of the digital automatic clutch according to the invention provides that a first limit switch of the limit switches is assigned to an initial position of the actuator, and that a second limit switch of the limit switches is assigned to an end position or buffer position of the actuator, the first limit switch and the second limit switch being on the Ball screw are arranged, and wherein the spindle nut or a part attached to it forms an actuator of the first and second of the limit switches.
  • a structure is advantageously compact.
  • a third limit switch is arranged in the housing and interacts with a contact section of a center buffer clutch to be decoupled as a counter-coupling.
  • the third limit switch has a plunger plate and a plunger.
  • the actuator With the help of this detection using a plunger and a timer (e.g. for 20-30 seconds), the actuator remains in the buffer position even after the counter-coupling has been removed in order to prevent unintentional re-engagement, which can be caused, for example, by sloshing around Liquids in the freight wagons are caused. Only after this timer has expired can the actuator be moved back to its starting position, since the hook disk is mechanically locked and turning it back again should generally no longer happen without external force.
  • At least one current sensor with an evaluation monitors the motor current of the electric motor.
  • other current sensors even of different designs, are also possible as additional and/or redundant components.
  • the control device has supply voltage sources with associated control electronics and stabilization circuits as well as PWM circuit unit(s), switching elements, at least one polarity reversal, the time delays, logic elements, at least one braking circuit of the electric motor, a short-circuit circuit of the electric motor as well as evaluation circuits and comparators for which has at least one current sensor.
  • PWM circuit unit(s) PWM circuit unit(s)
  • switching elements at least one polarity reversal
  • the time delays logic elements
  • at least one braking circuit of the electric motor a short-circuit circuit of the electric motor as well as evaluation circuits and comparators for which has at least one current sensor.
  • the functional units only require a small amount of space and are arranged in a common location. Discrete components, integrated components and highly integrated components (programmable logic gates, etc.) as well as processor circuits can be used. All electronic components comply with the applicable regulations (EMC, railway standards, etc.).
  • a freight train can be put together much more efficiently, flexibly and cost-effectively, which only means advantages for the operator and also for the end customer.
  • the train-wide digital interfaces enable new functionalities with regard to diagnosis, maintenance and repair (keyword: condition-based and predictive maintenance).
  • Figure 1 is a schematic top view and partial sectional view of an internal structure of an exemplary embodiment of a center buffer coupling 1 according to the invention shown in a released position.
  • Figure 2 shows two center buffer couplings 1, 1 'according to the invention Figure 1 each in a released position, with the two center buffer clutches 1, 1 'either currently being released from each other or about to engage.
  • the basic structure of the center buffer clutch 1 is illustrated and the essential components of the actuator system are named.
  • the central buffer coupling 1 comprises a housing 1a, a hook disk 2 with a drive section 3, an output section 4 and a pivot axis 2a, an eyelet 5, an actuator 6 with an actuating element 11, the actuating element 11 being a pressure pipe and (here via a print head 11a ) interacts with the drive section 3 of the hook disk 2, an electric motor 7 and limit switches 13, 14, 15.
  • a direct current motor or DC motor is used as the main drive for the electric motor 7 for decoupling or releasing the central buffer clutch 1, since this can be controlled and reversed comparatively inexpensively and in a simple manner (for example by relays and/or power semiconductors).
  • the electric motor 7 is coupled to an engine brake 12 and a transmission 8.
  • the motor brake 12 allows the electric motor 7 to hold a position, such as in a buffer position.
  • the buffer position is in Figure 1 shown, wherein the center buffer clutch 1 is released, ie is in a release position.
  • the actuator 6 has the gear 8 (here as a spur gear with a ratio of approximately 1:2 with a gear stage) and a ball screw for a linear movement of the actuating element 11.
  • the actuating element 11 is also referred to here as a pressure pipe.
  • the ball screw drive with a central axis 6 comprises a threaded spindle 9 and a spindle nut 10, which is firmly connected to the actuating element 11 and is guided in a rotationally fixed manner in the actuator 6 in a manner not described in detail and can be moved longitudinally.
  • the electric motor 7 and the motor brake 12 have a common motor axis 7a, which here runs parallel to the central axis 6 of the ball screw.
  • a first and a second mechanically actuated limit switch 13 and 14 for the start and end position of the actuating element 11 are also arranged in the actuator 6. These two limit switches 13 and 14 are actuated here by the spindle nut 10.
  • a third limit switch 15 is in the housing 1a at the end of an opening 1b for the counter-coupling head of a further center buffer clutch 1 'to be coupled to this center buffer clutch 1 (see Figure 2 ) arranged.
  • FIG. 3 A view of this area III in Figure 1 looking at the third limit switch 15 is in Figure 3 shown enlarged.
  • the third limit switch 15 has a plunger 17 with a plunger axis 17a.
  • a plunger plate 16 is attached to the free end of the plunger 17, which in the engaged state of the center buffer couplings 1, 1 '( Figure 2 ) interacts with a contact surface 1c of the other center buffer coupling 1'. In this way it is determined whether the center buffer couplings 1, 1' are coupled together or are separated from each other after the release process.
  • the central buffer clutch 1, 1' is connected to a control device 100, which is connected to the actuator 6 by means of electrical lines and carries out the control of the actuator 6.
  • the control device 100 is also connected to the limit switches 13, 14, 15 via electrical connection lines and takes into account the signals from the limit switches 13, 14, 15 to control the actuator 6. This will be described in more detail below.
  • the control device 100 also includes the electrical power supply for the actuator 6 and the limit switches 13, 14, 15.
  • FIGS. 4-9 show schematic flow diagrams in block representation of methods according to the invention for controlling the center buffer clutch 1 according to the invention Figure 1 .
  • the solid lines between the blocks show the electrical power flow
  • the dashed lines show the logical connections
  • the double lines show the mechanical connections.
  • the components in the blocks with double lines are understood to be mechanical components
  • the blocks with solid lines represent the electrical or electronic components and building blocks (e.g. logic gates).
  • the energy supply for the entire actuator unit can be switched on and off (e.g. via an emergency stop switch).
  • the decoupling process can be started via a further switch signal 18a.
  • the motor brake 12 is first released by activating the corresponding path via an electrically controlled switch 20b (e.g. power semiconductor/MOSFET) and a binary signal (e.g. +5 VDC) from logic elements 22 (AND) and 22a (NOT).
  • an electrical circuit for controlling the engine brake 12 here, for example, designed as normally-closed - N/C -
  • the engine brake 12 here, for example, designed as normally-closed - N/C -
  • the electric motor 7 is switched on in a first direction of rotation and the actuating element 11 is extended, whereby the hook disk 2 is pivoted into its release or uncoupling position.
  • the electric motor 7 is switched on after a time delay 21 of approximately 30 ms to ensure that the motor brake 12 is actually already opened.
  • the electrical power flow is via one or more Switching elements 20a, 20b enables so that the electric motor 7 can rotate immediately.
  • the maximum speed of the electric motor 7 is required, which is why the maximum supply voltage 19a is applied to the electric motor 7 (either via an adjustable voltage source or via PWM).
  • the rotational movement of the electric motor 7 ends as soon as the spindle nut 10 activates the second limit switch 14. Then the engine brake 12 is first reinserted and the electric motor 7 is switched off with some time delay 21.
  • the drive system i.e. the actuator 6, remains in the release position, which is referred to as the buffer position or buffer position.
  • the uncoupling process can be ended prematurely by an operator or by the system via an external command (here: switching signal 18b).
  • this process can also be initiated automatically by a signal from the third limit switch 15 triggering this process when the counter-clutch (center buffer clutch 1 ', see Figure 2 ) has moved away.
  • the actuator 6 is thus moved back into the starting position until the first limit switch 13 is activated, which detects the starting position.
  • the engine brake 12 is then engaged again and the electric motor 7 is switched off.
  • the motor control When the electric motor 7 is de-energized, the motor control is in a short-circuit position (see short-circuit circuit 23a in Figure 6 ), so that no major damage can be caused when external force is applied to the threaded spindle 9 and consequently to the actuator mechanics, since the electric motor 7 functions as an electrodynamic brake in this way the torque created by the force due to the induction of the electric motor 7 counteracts.
  • Another important component for controlling the actuator 6 is the monitoring of the motor current of the electric motor 7 of the actuator 6.
  • a current sensor 24 is inserted in the supply lines to the electric motor 7.
  • Other measuring arrangements for measuring the motor current are also possible.
  • a current monitoring system is used, which monitors the motor current detected by the current sensor 24 assigns the corresponding engine torque (block 24a).
  • This current engine torque is then checked in a further block 24b to see whether and how quickly it increases.
  • the comparison torque can, for example, be a predetermined stored table value for comparison with the current engine torque.
  • the current sensor 24 also has some safety-related tasks.
  • a possible application is, on the one hand, the detection of the already decoupled state and, on the other hand, the prevention of further damage to the actuator 6.
  • the electric motor 7 is initially operated at maximum speed. After a period of time, a torque is built up by exerting force on the hook disk 2, so that the current for the electric motor 7 also increases accordingly.
  • the actuator 6 would collide with the hook disk 2 at maximum speed of the electric motor 7, which means high forces and thus damage to the mechanics (especially the threaded spindle 9).
  • the current sensor 24 with the monitoring blocks 24a, 24b is used to monitor the normal process (increasing current curve after a period of time).
  • the supply voltage or the PWM (pulse width modulation) of the electric motor 7 is influenced, for example via a logic element 22c, in such a way that the electric motor 7 operates with the maximum supply voltage or 100% of the PWM or with, for example, only 10% of the maximum supply voltage or 10% of the PWM is operated.
  • control device 100 includes the supply voltages 19, 19a, 19b, 19c, 19d with associated control electronics and stabilization circuits as well as the PWM circuit unit(s), the switching elements 20a, 20b, the polarity reversal 20c, the time delays 21, 21a (discrete or in software), the logic elements 22, 22a, 22b, 22c, 22d (discrete or in software), the braking circuit 23, the short-circuit circuit 23a and the evaluation circuits 24a, 24b and comparators for the current sensor 24.
  • Figure 9 represents a schematic flowchart of a method according to the invention for controlling a digital automatic coupling (DAK) of rail vehicles.
  • DAK digital automatic coupling
  • step VS1 decoupling takes place by first releasing the engine brake 12. This is followed by switching on the electric motor 7 of the actuator 6 in a first direction of rotation and adjusting the actuating element 11 of the actuator 6 from a starting position to an end position, with the hook disk 2 being pivoted into its uncoupling or buffer position;
  • a second method step VS2 the end position of the actuator is maintained in the buffer position by applying the motor brake. This is followed by switching off the actuator's electric motor.
  • the motor brake With a "normally open” motor brake, the motor brake is supplied with power to build up the holding torque. In this case, the motor brake is connected to the power supply, i.e. switched on.
  • a third method step VS3 the actuating element of the actuator is adjusted from the buffer position to the starting position by releasing the motor brake and then switching on the electric motor of the actuator in a second direction of rotation opposite to the first direction of rotation when a switching signal from an external command is present or when a There is a signal that a center buffer clutch to be decoupled has moved away from the center buffer clutch as a counter-coupling.
  • a switchable gear 8 can be used, which has an electromechanical switch.
  • a dual clutch transmission with electrical control is also conceivable.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Hydraulic Clutches, Magnetic Clutches, Fluid Clutches, And Fluid Joints (AREA)

Abstract

Ein Verfahren zum Ansteuern einer digitalen automatischen Kupplung eines Schienenfahrzeugs, wobei die digitale automatische Kupplung eine Mittelpufferkupplung (1, 1') ist und eine Hakenscheibe (2) mit einem Antriebsabschnitt (3), einen Aktuator (6) mit einem Betätigungselement (11), welches mit dem Antriebsabschnitt (3) der Hakenscheibe (2) in Zusammenwirkung steht, einen Elektromotor (7) mit einer Motorbremse (12), Endschalter (13, 14, 15) und eine Steuereinrichtung (100) aufweist, umfasst die Verfahrensschritte (VS1) Entkuppeln, indem zunächst die Motorbremse (12) gelöst wird, Einschalten des Elektromotors (7) des Aktuators (6) in einer ersten Drehrichtung und Verstellen des Betätigungselementes (11) des Aktuators (6) aus einer Ausgangsstellung in eine Endstellung, wobei die Hakenscheibe (2) in ihre Entkupplungs- bzw. Pufferstellung verschwenkt wird; (VS2) Beibehalten der Endstellung des Aktuators (6) in der Pufferstellung durch Einfallen der Motorbremse (12) und darauf folgendes Ausschalten des Elektromotors (7) des Aktuators (6); und (VS3) Verstellen des Betätigungselementes (11) des Aktuators (6) aus der Pufferstellung in die Ausgangsstellung durch Lösen der Motorbremse (12) und darauf folgendes Einschalten des Elektromotors (7) des Aktuators (6) in eine zweite zu der ersten Drehrichtung entgegengesetzte Drehrichtung, wenn ein Schaltsignal (18b) eines externen Befehls vorliegt oder wenn ein Signal vorliegt, dass sich eine zu entkuppelnde Mittelpufferkupplung (1') als Gegenkupplung aus der Mittelpufferkupplung (1) entfernt hat. Eine solche digitale automatische Kupplung wird bereitgestellt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ansteuern einer digitalen automatischen Kupplung von Schienenfahrzeugen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung bezieht sich auch auf eine solche digitale automatische Kupplung.
  • Bei der Digitalisierung und Automatisierung im Schienenverkehr spielt die Digitale Automatische Kupplung (DAK) eine bedeutende Rolle. Im Weiteren wird für den Begriff Digitale Automatische Kupplung auch die gebräuchliche Abkürzung "DAK" verwendet.
  • Im Bereich der automatischen Kupplungen für Schienenfahrzeuge ist beispielsweise die Scharfenbergkupplung bekannt. Sie ist eine starre Mittelpufferkupplung.
  • Das Prinzip der Scharfenbergkupplung wird bei der DAK sowohl bei Passagierzügen eingesetzt als auch bei der DAK für Güterzüge präferiert. Der Kupplungsvorgang läuft rein mechanisch ab, die über eine Hakenscheibe und Federpakete in jedem Kupplungskopf realisiert werden.
  • Für den Entkupplungsvorgang jedoch werden jedoch Aktuatoren benötigt, die der Federkraft der Federpakete entgegenarbeiten, indem sie die Hakenscheibe in die Lösestellung zurückdrücken. In Passagierzügen werden hierzu in der Regel elektropneumatische Aktuatoren verwendet. Bei Güterzügen ist die Sachlage anders, weshalb eine elektromechanische Lösung präferiert wird.
  • Ein elektromechanischer Aktuator funktioniert mithilfe eines Elektromotors, der elektrische Energie in mechanische umwandelt. Wird der Aktuator angesteuert, kommt es in dem Elektromotor zu einer Drehbewegung des Rotors. Diese Drehbewegung wird weiter über eine Getriebestufe auf eine Gewindespindel übertragen. Die Gewindespindel ist in ihrer axialen Richtung ortsfest eingebaut. Auf der Gewindespindel ist eine Spindelmutter aufgeschraubt, welche in einer Linearführung drehfest aber linear beweglich ist.
  • Die Drehbewegung der Gewindespindel wird mittels der Spindelmutter in eine Linearbewegung umgewandelt, wobei die Linearbewegung auf ein mit der Spindelmutter verbundenes Führungsrohr übertragen wird, welches auf die Hakenscheibe eine entsprechende Kraft einleitet, um diese aus einer Kupplungsstellung in eine Entkupplungsstellung zu verschwenken. Nach vollständigem Entkuppeln der beiden Züge/Wagons kann der elektromechanische Aktuator in seine Ausgangsstellung zurückgefahren werden.
  • Jedoch besteht hier die Problematik, dass an einem Ablaufberg und je nach Beladung die Züge/Wagons (z.B. mit Flüssigkeiten) wieder einkuppeln können, was so nicht gewollt ist. Die Kupplungen dürfen in so einem Fall nicht wieder einkuppeln. Der Aktuator darf erst dann zurückgefahren werden, wenn die Kupplungen sich tatsächlich und irreversibel voneinander entfernt haben.
  • Eine Lösung ist es dabei, dass bei einem elektropneumatischen Aktuator nach dem Entkuppeln eine sogenannte Pufferposition eingenommen werden kann, in welcher die Hakenscheibe weiterhin in der Position gehalten wird, bis der Entkupplungsvorgang vollständig beendet ist. Bei einem elektromechanischen Aktuator ist dies grundsätzlich ebenso denkbar, wird jedoch aufgrund u.a. der folgenden Gründe als nachteilig angesehen:
    • Zur Aufrechterhaltung der benötigten Kraft durch den elektromechanischen Aktuator für längere Zeit wird kontinuierlich Strom für den Elektromotor bezogen. Bei einem ausreichend dimensionierten Elektromotor kann dieser idealerweise in einem Dauerbetrieb mit konstanter Belastung (S1-Betriebszustand) dieses Drehmoment im Stillstand kontinuierlich aufrechterhalten. Nachteilig ist hierbei jedoch, dass ein solcher Elektromotor, der das benötigte Drehmoment innerhalb des Nennbereichs aufbauen und auch halten kann, vergleichsweise kostspielig und unter Umständen hinsichtlich des Bauraums keinen Platz im Kupplungskopf finden würde.
    • Ein kleinerer und eventuell kostengünstigerer Elektromotor ist eine passende Lösung für den Entkupplungsvorgang, da das benötigte Drehmoment für diesen Prozess nur kurzzeitig in Überlast aufgebaut wird. Aber das ist nicht praktikabel für das Halten des Drehmoments im Stillstand, da dieser Vorgang für einen Elektromotor generell thermisch sehr anspruchsvoll ist und es zu Überhitzungen und Defekten im und am Motor führen würde.
    • Lösungen hierfür sehen eine stetige Aktivierung des Aktuators vor, sobald ein Anzeichen für eine Wiedereinkupplung festgestellt wird. Der elektromechanische Aktuator müsste daher wiederholt betätigt werden und den Entkupplungsvorgang ausführen. Dabei wird es als nachteilig angesehen, dass einerseits diese Lösung eine komplizierte Regelung bzw. Regelbarkeit sowie mehr und teurere Komponenten (z.B. Sensoren für die Erkennung des Wiedereinkuppelns) erforderlich macht. Andererseits hat dieses Verfahren unter Umständen erhebliche Folgen für die Langlebigkeit der mechanischen, elektromechanischen und elektrischen Bauteile, wodurch erheblicher Wartungsaufwand sowie -kosten verursacht und die Total Cost of Ownership (TCO) des Produktes negativ beeinflusst werden.
  • Insbesondere im Bereich Güterverkehr besteht noch Nachholbedarf, da die heutzutage noch üblichen Schraubkupplungen zwischen den Güterwagons sowohl Personal als auch viel Zeit und ebenso viel Aufwand beanspruchen.
  • Dementsprechend besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein geeignetes Verfahren zum Ansteuern digitaler automatischer Kupplungen von Schienenfahrzeugen bereitzustellen, wobei die oben genannten Nachteile behoben oder zumindest in bedeutender Weise reduziert werden und eine praktikable, zuverlässige und auch kostengünstige Lösung bieten.
  • Eine weitere Aufgabe ist es, eine Anordnung mit einer digitalen automatischen Kupplung eines Schienenfahrzeugs zu schaffen.
  • Die Aufgabe wird durch das Verfahren nach Anspruch 1 gelöst.
  • Die weitere Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 9 gelöst
  • Ein Erfindungsgedanke ist es, ein neuartiges Ansteuerungskonzept fürden Entkupplungsvorgang mittels eines elektromechanischen Aktuators zu schaffen, welches in der DAK seine Anwendung finden wird. Es wird ein in der Regelung vorteilhaft einfaches Konzept mit am Markt erhältlichen Standardkomponenten bereitgestellt.
  • Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Ansteuern einer digitalen automatischen Kupplung eines Schienenfahrzeugs, wobei die digitale automatische Kupplung eine Mittelpufferkupplung ist und eine Hakenscheibe mit einem Antriebsabschnitt, einen Aktuator mit einem Betätigungselement, welches mit dem Antriebsabschnitt der Hakenscheibe in Zusammenwirkung steht, einen Elektromotor mit einer Motorbremse, Endschalter und eine Steuereinrichtung aufweist, umfasst die Verfahrensschritte (VS1) Entkuppeln, indem zunächst die Motorbremse gelöst wird, Einschalten des Elektromotors des Aktuators in einer ersten Drehrichtung und Verstellen des Betätigungselementes des Aktuators aus einer Ausgangsstellung in eine Endstellung, wobei die Hakenscheibe in ihre Entkupplungs- bzw. Pufferstellung verschwenkt wird; (VS2) Beibehalten der Endstellung des Aktuators in der Pufferstellung durch Einfallen der Motorbremse und darauf folgendes Ausschalten des Elektromotors des Aktuators; und (VS3) Verstellen des Betätigungselementes des Aktuators aus der Pufferstellung in die Ausgangsstellung durch Lösen der Motorbremse und darauf folgendes Einschalten des Elektromotors des Aktuators in eine zweite zu der ersten Drehrichtung entgegengesetzte Drehrichtung, wenn ein Schaltsignal eines externen Befehls vorliegt oder wenn ein Signal vorliegt, dass sich eine zu entkuppelnde Mittelpufferkupplung als Gegenkupplung aus der Mittelpufferkupplung entfernt hat.
  • Der Begriff "Einfallen" der Motorbremse ist wie folgt zu verstehen.
  • Bei einer "normally-closed"-Motorbremse wird das Haltemoment durch die Motorbremse nach Wegfall der Stromversorgung aufgebaut. In diesem Fall wird die Motorbremse "abgeschaltet", also von der Stromversorgung getrennt.
  • Bei einer "normally-open"-Motorbremse wird die Motorbremse mit Strom versorgt, um das Haltemoment aufzubauen. In diesem Fall wird die Motorbremse an die Stromversorgung angeschlossen, also eingeschaltet.
  • Ein besonderer Vorteil besteht in der Lösung der Problematik, dass an einem Ablaufberg und je nach Beladung die Züge/Wagons (z.B. mit Flüssigkeiten) wieder einkuppeln können, was so nicht gewollt ist. Die Kupplungen dürfen in so einem Fall nicht wieder zusammenkommen. Der Aktuator darf erst dann zurückgefahren werden, wenn die Kupplungen sich tatsächlich und irreversibel voneinander entfernt haben. Diese Lösung wird durch das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft einfach erreicht.
  • Die Erfindung schafft hierfür ein geeignetes Konzept mit den Vorteilen einer praktikablen, zuverlässigen und auch kostengünstigen Lösung.
  • Dazu wird eine Motorbremse zusätzlich zum Motor im System eingesetzt. Die Motorbremse wird in dem System grundsätzlich als Haltebremse ausgeführt und auch eingesetzt. Mittels einer solchen Haltebremse kann der Antrieb in seiner Position für sehr lange Zeit halten, auch im ausgefahrenen Zustand, bei dem ein Drehmoment an der Antriebswelle anliegt. Durch Zuhilfenahme der Motorbremse kann der Motor somit in solchen Situationen entlastet werden, was sowohl energetische, thermische als auch kostentechnische Vorteile bietet.
  • Ein weiterer wichtiger vorteilhafter Aspekt des vorliegenden Ansteuerungskonzeptes ist die Pufferposition, die mithilfe der Motorbremse nun auch mit einem elektromechanischen Aktuator realisiert werden kann. Im vollausgefahrenen Zustand des Betätigungselementes des Aktuators übernimmt die Motorbremse und hält die Pufferposition, sodass ein ungewolltes Wiedereinkuppeln nicht möglich ist.
  • Eine erfindungsgemäße digitale automatische Kupplung eines Schienenfahrzeugs, wobei die digitale automatische Kupplung eine Mittelpufferkupplung mit einem Gehäuse ist und eine Hakenscheibe mit einem Antriebsabschnitt, einen Aktuator mit einem Betätigungselement, welches mit dem Antriebsabschnitt der Hakenscheibe in Zusammenwirkung steht, einen Elektromotor mit einer Motorbremse, Endschalter und eine Steuereinrichtung umfasst, zeichnet sich dadurch aus, dass der Aktuator einen Kugelgewindetrieb mit einer Gewindespindel und einer Spindelmutter, die mit dem Betätigungselement fest verbunden ist und verdrehfest in dem Aktuator längsverschiebbar geführt ist, und ein Getriebe aufweist, durch welches der Elektromotor und die Gewindespindel gekoppelt sind.
  • Mit dieser erfindungsgemäßen digitalen automatischen Kupplung sind Kostenvorteile für Hersteller und Betreiber ermöglicht, da ein möglichst kostengünstiger Motor, eine einfache Getriebestufe, ein Kugelgewindetrieb als Standardbauteil sowie diverse handelsübliche Endschalter Anwendung finden. Das Getriebe mit mindestens einer Getriebestufe dient dabei als mechanische Übersetzungsstufe, um ein höheres Drehmoment an der Abtriebswelle, d.h. an der Gewindespindel, zu erreichen und zugleich die Drehzahl herunterzusetzen. Der Kugelgewindetrieb wandelt auf einfache Weise eine rotatorische Bewegung in eine translatorische bzw. lineare Bewegung um. Die Endschalter werden zur Erkennung der Anfangs- und Endposition des Aktuators eingesetzt, denn Zwischenpositionen müssen in dieser Anwendung nicht angefahren werden. Sensoren bzw. Geber zur Drehwinkelerfassung oder ähnliches sind kostspieliger, komplexer und benötigen zudem mehr Bauraum, und sind hier nicht erforderlich.
  • Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind Gegenstände der Unteransprüche.
  • In einer Ausführung des Verfahrens erfolgt das Einschalten des Elektromotors nach einer vorher festgelegten Zeitverzögerung. Damit wird vorteilhaft einfach sichergestellt, dass die Motorbremse zuvor vollständig gelöst ist und der Elektromotor daher nicht gegen eine noch blockierende Motorbremse anarbeiten muss und hohe Energie dabei verbraucht bzw. unnötig erhitzt wird.
  • Eine weitere Ausführung des Verfahrens sieht vor, dass das Ausschalten des Elektromotors nach einer vorher festgelegten Zeitverzögerung erfolgt. Dies ist vorteilhaft, da auf diese Weise die Drehung des Rotors des Elektromotors durch die Motorbremse schon blockiert ist, wenn ein Ausschalten erfolgt, und somit ein Verdrehen des Rotors unter Last verhindert wird.
  • In einer noch weiteren Ausführung des Verfahrens sind die Ausgangsstellung und die Endstellung des Aktuators durch Endschalter festgelegt, wobei die Endschalter durch das Betätigungselement des Aktuators oder durch ein mit dem Betätigungselement des Aktuators fest verbundenes Element betätigt werden. Endschalter sind vorteilhaft kostengünstige Bauteile hoher Qualität und am Markt erhältlich. Ihre Betätigung ist vorteilhaft einfach durch mechanische Teile bzw. Vorsprünge an schon vorhandenen Bauteilen möglich, so z.B. durch die Spindelmutter. Ein weiterer Vorteil dabei ist ein kompakter Aufbau sowie eine einfache elektrische Signalerzeugung mittels einfacher Schaltkontakte, um binäre Signale "EIN" und "AUS" zu erhalten.
  • Es ist zudem in einer anderen Ausführung des Verfahrens vorteilhaft, wenn der Elektromotor in einem unbestromten Zustand in der Ausgangsstellung oder/und in der Endstellung des Aktuators mittels einer Motoransteuerung in eine Kurzschlussstellung geschaltet wird. wobei der Elektromotor eine elektrodynamische Bremse bildet. Auf diese vorteilhaft einfache Weise wird erreicht, dass eine Verdrehung des Rotors des Elektromotors unter Last im unbestromten Zustand des Elektromotors oder bei Verlust der Versorgungsspannung verhindert wird.
  • Eine Ausführung des Verfahrens sieht vor, dass der Motorstrom des Elektromotors überwacht und ausgewertet wird, insbesondere mittels mindestens eines Stromsensors und einer Auswertung. Damit ist eine vorteilhaft einfache Erkennung von Belastungen des Elektromotors ermöglicht, die z.B. bei schon eingerasteter Hakenscheibe, bei evtl. Bedienungsfehlern u.a., Schäden an dem Elektromotor hervorrufen können, wobei aber im Erkennungsfall die dem Elektromotor zugeführte Energie gedrosselt bzw. ausgeschaltet werden kann, um Schäden zu verhindern.
  • In einer anderen Ausführung des Verfahrens wird eine Versorgungsspannung für den Elektromotor des Aktuators über eine einstellbare Spannungsquelle oder/und mittels Pulsweitenmodulation bereitgestellt. Auf diese Weise kann vorteilhaft einfach eine Anpassung von Drehzahl und Drehmoment des Elektromotors an den jeweiligen Betriebszustand ermöglicht werden.
  • Eine noch andere Ausführung des Verfahrens sieht vor, dass im Verfahrensschritt VS3 Verstellen das Signal, dass sich eine zu entkuppelnde Mittelpufferkupplung als Gegenkupplung aus der Mittelpufferkupplung entfernt hat, mittels eines weiteren Endschalters erzeugt wird, der mit der zu entkuppelnden Mittelpufferkupplung als Gegenkupplung zusammenwirkt. Das Entfernen der Gegenkupplung wird so vorteilhaft durch einen Endschalter erfasst, der ein vorteilhaft kostengünstiges Bauteil hoher Qualität ist und auf einfache Weise durch ein Bauteil oder einen Kontaktabschnitt der Gegenkupplung betätigt wird.
  • Eine Ausführung der erfindungsgemäßen digitalen automatischen Kupplung sieht vor, dass ein erster Endschalter der Endschalter einer Ausgangsstellung des Aktuators zugeordnet ist, und dass ein zweiter Endschalter der Endschalter einer Endstellung bzw. Pufferstellung des Aktuators zugeordnet ist, wobei der erste Endschalter und der zweite Endschalter an dem Kugelgewindetrieb angeordnet sind, und wobei die Spindelmutter oder ein an ihr befestigtes Teil einen Betätiger des ersten und des zweiten der Endschalter bildet. Ein solcher Aufbau ist vorteilhaft kompakt.
  • In einer weiteren Ausführung der Kupplung ist ein dritter Endschalter der Endschalter in dem Gehäuse angeordnet ist und wirkt mit einem Kontaktabschnitt einer zu entkuppelnden Mittelpufferkupplung als Gegenkupplung zusammen.
  • Für eine einfache Kontaktierung der Gegenkupplung weist der dritte Endschalter eine Stößelplatte und einen Stößel auf. Mithilfe dieser Erfassung mittels Stößels und eines Zeitgliedes (z.B. für 20-30 Sekunden) verbleibt der Aktuator auch nach dem Entfernen der Gegenkupplung noch in der Pufferposition, um ein unbeabsichtigtes Wiedereinkuppeln zu verhindert, was z.B. durch umherschwappende Flüssigkeiten in den Güterwagens verursacht werden. Erst nach Ablauf dieses Zeitgliedes kann der Aktuator wieder in seine Ausgangsposition zurückgefahren werden, da die Hakenscheibe mechanisch verriegelt ist und ein erneutes Zurückdrehen ohne äußere Krafteinwirkung in der Regel nicht mehr passieren sollte.
  • In einer noch weiteren Ausführung der Kupplung bildet mindestens ein Stromsensor mit einer Auswertung eine Überwachung des Motorstroms des Elektromotors. Natürlich sind auch weitere Stromsensoren, auch unterschiedlicher Bauart als zusätzliche oder/und redundante Bauteile möglich.
  • Eine Ausführung der Kupplung sieht vor, dass die Steuereinrichtung Versorgungsspannungsquellen mit zugehöriger Stellelektronik und Stabilisierungsschaltungen sowie PWM-Schaltungseinheit(en), Schaltelemente, mindestens einen Umpoler, die Zeitverzögerungen, Logikelemente, mindestens eine Bremsschaltung des Elektromotors, eine Kurzschlussschaltung des Elektromotors sowie Auswertungsschaltungen und Vergleicher für den mindestens einen Stromsensor aufweist. Ein Vorteil dabei besteht darin, dass die Funktionseinheiten nur einen geringen Bauraum benötigen und an einem gemeinsamen Ort angeordnet sind. Es können sowohl diskrete Bauteile, integrierte Bausteine und hochintegrierte Bauteile (programmierbare Logikgatter u.dgl.) als auch Prozessorschaltungen zur Anwendung kommen. Alle elektronischen Bauteile entsprechen den geltenden Vorschriften (EMV, Eisenbahnnormen u.v.a.).
  • Mithilfe einer Prozessautomatisierung mit digitalen automatischen Kupplungen DAK kann ein Güterzug sehr viel effizienter, flexibler und kostengünstiger zusammengestellt werden, was für den Betreiber und auch für den Endkunden nur Vorteile bedeuten. Zudem werden durch die zugweiten digitalen Schnittstellen neue Funktionalitäten in Hinblick auf Diagnose, Wartung und Instandhaltung ermöglicht (Stichwort: Condition-Based und Predictive Maintenance).
  • Die Erfindung schafft zudem folgende Vorteile:
    • Einfacher und kostengünstiger Aufbau mit Standardkomponenten
    • Relativ einfacher und gut verständlicher Ansteuerungsalgorithmus mit möglichst wenige Kernkomponenten
    • Aufbau der Ansteuerungselektronik nur mit diskreten Elektronikbauteilen und ohne softwarebasierte Lösungen (Mikrocontroller, FPGA etc.) möglich
    • Ermöglicht Pufferstellung bzw. Pufferposition mit einem elektromechanischen Aktuator
    • Durch binäre Steuerungssignale: sowohl mit DAC 4.5 (mit externer lokaler Steuerungsbox über entsprechende Tasten) als auch mit DAC 5 (volldigital mit zentraler Fahrzeugsteuerung) kompatibel
    • Schutz vor Beschädigungen am Antrieb des Aktuators und an der Mechanik durch Einsatz mindestens eines Stromsensors
    • Ausnutzung des Kurzschlussverhaltens des Elektromotors des Aktuators zur elektrodynamischen Abbremsung im Fehlerfällen oder bei Verlust der Versorgungsspannung
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben. Die Erfindung ist nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt. Insbesondere sind einzelne Merkmale des nachfolgenden Ausführungsbeispiels nicht nur bei diesem, sondern auch bei anderen Ausführungsbeispielen einsetzbar. Es zeigen:
    • Figur 1
    eine schematische Draufsicht und Teilschnittansicht eines inneren Aufbaus eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Mittelpufferkupplung in einer gelösten Stellung;
    Figur 2
    zwei erfindungsgemäße Mittelpufferkupplungen nach Figur 1 jeweils in gelöster Stellung;
    Figur 3
    eine vergrößerte schematische Ansicht des Bereiches III in Figur 1;
    Figur 4-8
    schematische Ablaufdiagramme in Blockdarstellung von erfindungsgemäßen Verfahren zum Ansteuern der erfindungsgemäßen Mittelpufferkupplung nach Figur 1; und
    Figur 9
    ein schematisches Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • In Figur 1 ist eine schematische Draufsicht und Teilschnittansicht eines inneren Aufbaus eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Mittelpufferkupplung 1 in einer gelösten Stellung dargestellt.
  • Figur 2 zeigt zwei erfindungsgemäße Mittelpufferkupplungen 1, 1' nach Figur 1 jeweils in gelöster Stellung, wobei die beiden Mittelpufferkupplungen 1, 1' entweder gerade von einander gelöst sind oder vor einem Einkupplungsvorgang stehen.
  • Es wird der grundsätzliche Aufbau der Mittelpufferkupplung 1 veranschaulicht sowie die wesentlichen Komponenten des Aktuatorsystems benannt.
  • Die Mittelpufferkupplung 1 umfasst ein Gehäuse 1a, eine Hakenscheibe 2 mit einem Antriebsabschnitt 3, einem Abtriebsabschnitt 4 und einer Schwenkachse 2a, eine Öse 5, einen Aktuator 6 mit einem Betätigungselement 11, wobei das Betätigungselement 11 ein Druckrohr ist und (hier über einen Druckkopf 11a) mit dem Antriebsabschnitt 3 der Hakenscheibe 2 in Zusammenwirkung steht, einen Elektromotor 7 und Endschalter 13, 14, 15.
  • In diesem Ausführungsbeispiel wird für den Elektromotor 7 ein Gleichstrommotor bzw. DC-Motor als Hauptantrieb zur Entkupplung bzw. zum Lösen der Mittelpufferkupplung 1 verwendet, da dieser vergleichsweise kostengünstig und auf einfache Art und Weise angesteuert und umgesteuert werden kann (beispielsweise durch Relais oder/und Leistungshalbleiter).
  • Der Elektromotor 7 ist mit einer Motorbremse 12 und einem Getriebe 8 gekoppelt.
  • Die Motorbremse 12 ermöglicht es dem Elektromotor 7, eine Position zu halten, wie beispielsweise in einer Pufferstellung. Die Pufferstellung ist in Figur 1 gezeigt, wobei die Mittelpufferkupplung 1 gelöst ist, d.h. sich in einer Lösestellung befindet.
  • Der Aktuator 6 weist das Getriebe 8 (hier als Stirnradgetriebe mit Übersetzung von ca. 1:2 mit einer Getriebestufe) sowie einen Kugelgewindetrieb für eine Linearbewegung des Betätigungselementes 11 auf. Das Betätigungselement 11 wird hier auch als Druckrohr bezeichnet.
  • Der Kugelgewindetrieb mit einer Mittelachse 6 umfasst eine Gewindespindel 9 und eine Spindelmutter 10, die mit dem Betätigungselement 11 fest verbunden ist und verdrehfest in dem Aktuator 6 in nicht näher beschriebener Weise längsverschiebbar geführt ist.
  • Der Elektromotor 7 und die Motorbremse 12 weisen eine gemeinsame Motorachse 7a auf, welche hier parallel zu der Mittelachse 6 des Kugelgewindetriebs verläuft.
  • In dem Aktuator 6 sind zudem ein erster und ein zweiter mechanisch betätigbarer Endschalter 13 und 14 für Anfangs- und Endposition des Betätigungselementes 11 angeordnet. Diese beiden Endschalter 13 und 14 werden hier durch die Spindelmutter 10 betätigt.
  • Ein dritter Endschalter 15 ist in dem Gehäuse 1a am Ende einer Öffnung 1b für den Gegenkupplungskopf einer mit dieser Mittelpufferkupplung 1 zu kuppelnden weiteren Mittelpufferkupplung 1' (siehe Figur 2) angeordnet.
  • Eine Ansicht dieses Bereiches III in Figur 1 mit Blick auf den dritten Endschalter 15 ist in Figur 3 vergrößert dargestellt.
  • Der dritte Endschalter 15 weist einen Stößel 17 mit einer Stößelachse 17a auf. An dem freien Ende des Stößels 17 ist eine Stößelplatte 16 angebracht, welche im eingekuppelten Zustand der Mittelpufferkupplungen 1, 1' (Figur 2) mit einer Kontaktfläche 1c der anderen Mittelpufferkupplung 1' zusammenwirkt. Auf diese Weise wird ermittelt, ob die Mittelpufferkupplungen 1, 1' zusammengekuppelt sind oder nach dem Lösevorgang voneinander gelöst sind.
  • Die Mittelpufferkupplung 1, 1' ist mit einer Steuereinrichtung 100 verbunden, welche mittels elektrischer Leitungen mit dem Aktuator 6 verbunden ist, und die Steuerung des Aktuators 6 durchführt. Dir Steuereinrichtung 100 ist zudem mit den Endschaltern 13, 14, 15 über elektrische Anschlussleitungen verbunden und berücksichtigt die Signale der Endschalter 13, 14, 15 zur Steuerung des Aktuators 6. Dies wird unten noch näher beschrieben.
  • Außerdem umfasst die Steuereinrichtung 100 die elektrische Spannungsversorgung für den Aktuator 6 und die Endschalter 13, 14, 15 zur Verfügung.
  • Die Figuren 4-9 zeigen schematische Ablaufdiagramme in Blockdarstellung von erfindungsgemäßen Verfahren zum Ansteuern der erfindungsgemäßen Mittelpufferkupplung 1 nach Figur 1.
  • Anhand von Figur 4-5 werden die Abläufe des beschriebenen Aktuators 6 zum Entkuppeln der Mittelpufferkupplung 1 sowie zum Zurückfahren des Aktuators 6 in die Ausgangslage beschrieben.
  • Dabei zeigen die durchgezogenen Linien zwischen den Blöcken den elektrischen Leistungsfluss, die gestrichelten Linien die logischen Verknüpfungen und die doppelten Linien die mechanischen Verbindungen auf. Genauso werden die Komponenten in den Blöcken mit doppelten Linien als mechanische Bauteile verstanden, während die Blöcke mit durchgezogenen Linien die elektrischen bzw. elektronischen Komponenten und Bausteine (z.B. Logikgatter) darstellen.
  • Zunächst wird ein Entkupplungs- bzw. Lösevorgang in Figur 4 beschrieben.
  • Mithilfe eines Einschaltsignals 18 kann die Energieversorgung für die gesamte Aktuatoreinheit an- und auch abgeschaltet werden (z.B. über einen Notausschalter). Über ein weiteres Schaltersignal 18a kann der Entkupplungsvorgang gestartet werden. Dabei wird zunächst die Motorbremse 12 gelöst, indem der entsprechende Pfad über einen elektrisch angesteuerten Schalter 20b (z.B. Leistungshalbleiter/MOSFET) und ein binäres Signal (z.B. +5 VDC) von Logikelementen 22 (UND) und 22a (NICHT) aktiviert wird. Hierbei wird eine elektrische Schaltung zur Ansteuerung der Motorbremse 12 (hier beispielsweise als normally-closed - N/C - ausgelegt) versorgt, die anschließend den Elektromagneten in der Motorbremse 12 bestromt, damit die Reibscheiben der Motorbremse 12 auseinandergezogen werden und somit die Antriebswelle des Elektromotors 7 freigegeben wird. Bei einer Motorbremse 12 in der normally-open - N/O - Ausführung ist die Grundidee identisch, nur erfolgt die Ansteuerung invers, weshalb auch einige Komponenten 20b, 22, 22a invers ausgeführt werden (z.B. beim Leistungshalbleiter MOSFET und bei der Logikverknüpfung 22, 22a).
  • Nachdem die Motorbremse geöffnet hat (d.h. gelöst ist), wird der Elektromotor 7 in einer ersten Drehrichtung eingeschaltet, und das Betätigungselement 11 wird ausgefahren, wodurch die Hakenscheibe 2 in ihre Löse- bzw. Entkupplungsstellung verschwenkt wird.
  • Das Einschalten des Elektromotors 7 erfolgt nach einer Zeitverzögerung 21 von ca. 30 ms, um sicherzustellen, dass die Motorbremse 12 tatsächlich schon geöffnet ist. Auch hier wird der elektrische Leistungsfluss über einen oder mehrere Schaltelemente 20a, 20b ermöglicht, sodass sich der Elektromotor 7 unmittelbar drehen kann.
  • Beim Entkupplungsvorgang wird die maximale Drehzahl des Elektromotors 7 gefordert, weshalb die maximale Versorgungsspannung 19a am Elektromotor 7 anliegt (entweder über eine einstellbare Spannungsquelle oder über PWM).
  • Die Drehbewegung des Elektromotors 7 endet, sobald die Spindelmutter 10 den zweiten Endschalter 14 aktiviert. Dann wird zunächst die Motorbremse 12 wieder eingelegt und mit einiger Zeitverzögerung 21 der Elektromotor 7 ausgeschaltet. Hierbei verbleibt das Antriebssystem, also der Aktuator 6 in der Lösestellung, die als Pufferposition bzw. Pufferstellung bezeichnet wird.
  • Diese Pufferposition oder Pufferstellung wird so lange nicht verlassen, bis zwei mögliche Bedingungen eingetreten sind, was in Figur 5 dargestellt ist.
  • Zum einen kann über einen externen Befehl (hier: Schaltsignal 18b) der Entkupplungsvorgang vorzeitig durch einen Bediener oder von dem System beendet werden.
  • Zum anderen kann dieser Vorgang auch automatisch angestoßen werden, indem ein Signal von dem dritten Endschalter 15 diesen Vorgang auslöst, wenn die Gegenkupplung (Mittelpufferkupplung 1', siehe Figur 2) sich entfernt hat. Wie schon erwähnt, wird dann z.B. 20 Sekunden (Zeitverzögerung 21) gewartet, bis die Motorbremse 12 wieder geöffnet wird, und dann wird der Elektromotor 7 mit 30 ms Zeitverzögerung 21 in Gegendrehrichtung zu der ersten Drehrichtung (Umpoler 20c) eingeschaltet und fährt zurück.
  • Der Aktuator 6 wird somit wieder in die Ausgangsstellung eingefahren, bis der erste Endschalter 13 aktiviert wird, der die Ausgangsstellung detektiert. Die Motorbremse 12 wird dann wieder eingelegt, und der Elektromotor 7 wird abgeschaltet.
  • Im unbestromten Zustand des Elektromotors 7 befindet sich die Motoransteuerung in einer Kurzschlussstellung (siehe Kurzschlussschaltung 23a in Figur 6 ), sodass bei äußerer Krafteinwirkung auf die Gewindespindel 9 und folglich auf die Aktuatormechanik keine größeren Schäden verursacht werden können, da hierbei der Elektromotor 7 als elektrodynamische Bremse funktioniert und auf diese Weise dem durch die Krafteinwirkung entstandenen Drehmoment aufgrund der Induktion des Elektromotors 7 entgegenwirkt.
  • Dieses Prinzip wird an anderen Stellen ebenfalls eingesetzt. In Figur 5 wird dies durch den Block Verzögerung 21a (Kurzschluss, Winkelstellung der Hakenscheibe von 70° bis 62°) angedeutet, was besagt, dass beim Öffnen der Motorbremse 12 für das Zurückfahren des Aktuators 6 von der Pufferposition (70° Winkelstellung der Hakenscheibe 2) bis zur Verriegelung der Hakenscheibe 2 bzw. zum Einrasten einer Klinke (62° Winkelstellung der Hakenscheibe 2) kurzzeitig eine sehr hohe Kraft an der Gewindespindel 9 anliegt, die den Aktuator 6 zurückdrückt. Diese Kraft muss ebenfalls abgefangen werden. Dies ist mittels des Elektromotors 7 in der Kurzschlussstellung möglich. Dadurch einsteht eine kurze zeitliche Verzögerung, die eingestellt werden kann, bis der Elektromotor 7 für eine kontrollierte Rückfahrt in die Ausgangsstellung eingeschaltet wird.
  • Eine weitere wichtige Komponente für die Ansteuerung des Aktuators 6 ist die Überwachung des Motorstroms des Elektromotors 7 des Aktuators 6.
  • In dem in Figur 7 gezeigten Beispiel ist hierzu ein Stromsensor 24 in den Zuleitungen zum Elektromotor 7 eingefügt. Es sind auch andere Messanordnungen zur Messung des Motorstroms möglich.
  • Um beispielsweise Überstrom des Elektromotors 7 über eine längere Zeitdauer zu erkennen (v.a. den Entmagnetisierungsstrom des Elektromotors 7 als oberen Grenzwert), damit das System entsprechend schnell reagieren kann (z.B. Stromzufuhr ausschalten), wird eine Stromüberwachung verwendet, welche den vom Stromsensor 24 erfassten Motorstrom einem entsprechenden Motormoment zuordnet (Block 24a). Dieses aktuelle Motormoment wird dann in einem weiteren Block 24b überprüft, ob und wie schnell es ansteigt. Dazu werden die Umdrehungen des Elektromotors 7 und oder die Zeit in Millisekunden bis zum Erreichen eines Vergleichsmomentes ermittelt. Das Vergleichsmoment kann beispielsweise ein vorher festgelegter gespeicherter Tabellenwert zum Vergleich mit dem aktuellen Motormoment sein.
  • Zudem hat der Stromsensor 24 noch einige sicherheitstechnische Aufgaben. Eine mögliche Anwendung ist zum einen die Erkennung des bereits entkuppelten Zustands und zum anderen die Verhinderung von weiteren Beschädigungen des Aktuators 6.
  • In Figur 7 ist der normale Ablauf des Entkupplungsvorgangs dargestellt.
  • Der Elektromotor 7 wird zunächst mit maximaler Drehzahl betrieben. Nach einer Zeitspanne wird ein Drehmoment durch die Ausübung von Kraft auf die Hakenscheibe 2 aufgebaut, sodass auch der Strom für den Elektromotor 7 entsprechend ansteigt.
  • Falls jedoch die Hakenscheibe 2 bereits eingerastet bzw. verankert ist, d.h. keine Entkupplung nötig ist, jedoch fälschlicherweise dennoch ein Entkupplungsvorgang gestartet wird (z.B. durch den Bediener/Personal), würde der Aktuator 6 bei maximaler Drehzahl des Elektromotors 7 gegen die Hakenscheibe 2 stoßen, was hohe Kräfte und somit Schäden an der Mechanik (insb. der Gewindespindel 9) bedeuten.
  • Um einer solchen Fehlbedienung möglichst entgegenzuwirken und weitreichende Schäden zu vermeiden, wird der Stromsensor 24 mit den Überwachungsblöcken 24a, 24b dazu eingesetzt, den normalen Vorgang zu überwachen (ansteigender Stromverlauf nach einer Zeitdauer).
  • Je nach Ergebnis des Vergleichs wird z.B. über ein Logikelement 22c die Versorgungsspannung bzw. die PWM (Pulsweitenmodulation) des Elektromotors 7 derart beeinflusst, dass der Elektromotor 7 mit der maximalen Versorgungsspannung bzw. 100% der PWM oder mit z.B. nur 10% der maximalen Versorgungsspannung bzw. 10% der PWM betrieben wird.
  • Im letzteren Fall wird die Drehzahl des Elektromotors so weit heruntergefahren, dass bei Kontakt mit der verankerten Hakenscheibe 2 keine Schäden am Aktuator 6 auftreten können.
  • Die Steuereinrichtung 100 umfasst in diesem Beispiel die Versorgungsspannungen 19, 19a, 19b, 19c, 19d mit zugehöriger Stellelektronik und Stabilisierungsschaltungen sowie die PWM-Schaltungseinheit(en), die Schaltelemente 20a, 20b, den Umpoler 20c, die Zeitverzögerungen 21, 21a (diskret oder softwaremäßig), die Logikelemente 22, 22a, 22b, 22c, 22d (diskret oder softwaremäßig), die Bremsschaltung 23, die Kurzschlussschaltung 23a sowie die Auswertungsschaltungen 24a, 24b und Vergleicher für den Stromsensor 24. Figur 9 stellt ein schematisches Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Ansteuern einer digitalen automatischen Kupplung (DAK) von Schienenfahrzeugen dar.
  • In einem ersten Verfahrensschritt VS1 erfolgt ein Entkuppeln, indem zunächst die Motorbremse 12 gelöst wird. Danach folgt ein Einschalten des Elektromotors 7 des Aktuators 6 in einer ersten Drehrichtung und Verstellen des Betätigungselementes 11 des Aktuators 6 aus einer Ausgangsstellung in eine Endstellung, wobei die Hakenscheibe 2 in ihre Entkupplungs- bzw. Pufferstellung verschwenkt wird;
  • In einem zweiten Verfahrensschritt VS2 wird die Endstellung des Aktuators in der Pufferstellung durch Einfallen der Motorbremse beibehalten. Darauf folgt ein Ausschalten des Elektromotors des Aktuators.
  • Der Begriff "Einfallen" der Motorbremse ist wie folgt zu verstehen.
  • Bei einer "normally-closed"-Motorbremse wird das Haltemoment durch die Motorbremse nach Wegfall der Stromversorgung aufgebaut. In diesem Fall wird die Motorbremse "abgeschaltet", also von der Stromversorgung getrennt.
  • Bei einer "normally-open"-Motorbremse wird die Motorbremse mit Strom versorgt, um das Haltemoment aufzubauen. In diesem Fall wird die Motorbremse an die Stromversorgung angeschlossen, also eingeschaltet.
  • In einem dritten Verfahrensschritt VS3 erfolgt ein Verstellen des Betätigungselementes des Aktuators aus der Pufferstellung in die Ausgangsstellung durch Lösen der Motorbremse und darauf folgendes Einschalten des Elektromotors des Aktuators in eine zweite zu der ersten Drehrichtung entgegengesetzte Drehrichtung, wenn ein Schaltsignal eines externen Befehls vorliegt oder wenn ein Signal vorliegt, dass sich eine zu entkuppelnde Mittelpufferkupplung als Gegenkupplung aus der Mittelpufferkupplung entfernt hat.
  • Es ergeben sich somit folgende Vorteile:
    • Einfacher und kostengünstiger Aufbau mit Standardkomponenten
    • Relativ einfacher und gut verständlicher Ansteuerungsalgorithmus mit möglichst wenige Kernkomponenten
    • Aufbau der Ansteuerungselektronik nur mit diskreten Elektronikbauteilen und ohne softwarebasierte Lösungen (Mikrocontroller, FPGA etc.) möglich
    • Ermöglicht Pufferstellung bzw. Pufferposition mit einem elektromechanischen Aktuator 6
    • Durch binäre Steuerungssignale: sowohl mit DAC 4.5 (mit externer lokaler Steuerungsbox über entsprechende Tasten) als auch mit DAC 5 (volldigital mit zentraler Fahrzeugsteuerung) kompatibel
    • Schutz vor Beschädigungen am Antrieb des Aktuators 6 und an der Mechanik durch Einsatz eines Stromsensors 24
    • Ausnutzung des Kurzschlussverhaltens des Elektromotors des Aktuators 6 zur elektrodynamischen Abbremsung im Fehlerfällen oder bei Verlust der Versorgungsspannung
  • Die Erfindung ist durch das oben angegebene Ausführungsbeispiel nicht eingeschränkt, sondern im Rahmen der Ansprüche modifizierbar.
  • Es ist z.B. denkbar, dass anstelle eines Umpolens des Elektromotors 7 zur Änderung der Bewegungsrichtung des Betätigungselementes 11 ein umschaltbares Getriebe 8 verwendet werden kann, welches eine elektromechanische Umschaltung aufweist. Auch ein Doppelkupplungsgetriebe mit elektrischer Steuerung ist denkbar.
  • Anstelle eines Stromsensors 24 können auch zwei oder mehrere Anwendung finden, wobei die Ausführungen der Stromsensoren 24 im Fall von zwei und mehr unterschiedlich sein können.
    • Bezugszeichenliste
    • 1, 1'
    Mittelpufferkupplung
    1a
    Gehäuse
    1b
    Öffnung
    1c
    Kontaktabschnitt
    2
    Hakenscheibe
    2a
    Schwenkachse
    3
    Antriebsabschnitt
    4
    Abtriebsabschnitt
    5
    Öse
    6
    Aktuator
    6a
    Mittelachse
    7
    Elektromotor
    7a
    Motorachse
    8
    Getriebe
    9
    Gewindespindel
    10
    Spindelmutter
    11
    Betätigungselement
    11a
    Druckkopf
    12
    Motorbremse
    13, 14, 15
    Endschalter
    16
    Stößelplatte
    17
    Stößel
    17a
    Stößelachse
    18, 18a
    Schaltsignal
    19, 19a, 19b
    Versorgungsspannung
    19c, 19d
    Versorgungsspannung/PWM
    20, 20a, 20b
    Schaltelement
    20c
    Umpoler
    21, 21a
    Zeitverzögerung
    22
    Logikelement UND
    22a
    Logikelement NICHT
    22b
    Logikelement ODER
    22c
    Logikelement JA
    22d
    Logikelement NEIN
    23
    Bremsschaltung
    23a
    Kurzschlussschaltung
    24
    Stromsensor
    24a, 24b
    Auswertung
    100
    Steuereinrichtung
    VS1, VS2, VS3
    Verfahrensschritt

Claims (13)

  1. Verfahren zum Ansteuern einer digitalen automatischen Kupplung eines Schienenfahrzeugs, wobei die digitale automatische Kupplung eine Mittelpufferkupplung (1, 1') ist und eine Hakenscheibe (2) mit einem Antriebsabschnitt (3), einen Aktuator (6) mit einem Betätigungselement (11), welches mit dem Antriebsabschnitt (3) der Hakenscheibe (2) in Zusammenwirkung steht, einen Elektromotor (7) mit einer Motorbremse (12), Endschalter (13, 14, 15) und eine Steuereinrichtung (100) umfasst;
    gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte
    (VS1) Entkuppeln, indem zunächst die Motorbremse (12) gelöst wird, Einschalten des Elektromotors (7) des Aktuators (6) in einer ersten Drehrichtung und Verstellen des Betätigungselementes (11) des Aktuators (6) aus einer Ausgangsstellung in eine Endstellung, wobei die Hakenscheibe (2) in ihre Entkupplungs- bzw. Pufferstellung verschwenkt wird;
    (VS2) Beibehalten der Endstellung des Aktuators (6) in der Pufferstellung durch Einfallen der Motorbremse (12) und darauf folgendes Ausschalten des Elektromotors (7) des Aktuators (6); und
    (VS3) Verstellen des Betätigungselementes (11) des Aktuators (6) aus der Pufferstellung in die Ausgangsstellung durch Lösen der Motorbremse (12) und darauf folgendes Einschalten des Elektromotors (7) des Aktuators (6) in eine zweite zu der ersten Drehrichtung entgegengesetzte Drehrichtung, wenn ein Schaltsignal (18b) eines externen Befehls vorliegt oder wenn ein Signal vorliegt, dass sich eine zu entkuppelnde Mittelpufferkupplung (1') als Gegenkupplung aus der Mittelpufferkupplung (1) entfernt hat.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Einschalten des Elektromotors (7) nach einer vorher festgelegten Zeitverzögerung (21) erfolgt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausschalten des Elektromotors (7) nach einer vorher festgelegten Zeitverzögerung (21) erfolgt.
  4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsstellung und die Endstellung des Aktuators (6) durch Endschalter (13, 14) festgelegt sind, wobei die Endschalter (13, 14) durch das Betätigungselement (11) des Aktuators (6) oder durch ein mit dem Betätigungselement (11) des Aktuators (6) fest verbundenes Element betätigt werden.
  5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (7) in einem unbestromten Zustand in der Ausgangsstellung oder/und in der Endstellung des Aktuators (6) mittels einer Motoransteuerung in eine Kurzschlussstellung geschaltet ist. wobei der Elektromotor (7) eine elektrodynamische Bremse bildet.
  6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Motorstrom des Elektromotors (7) überwacht und ausgewertet wird, insbesondere mittels mindestens eines Stromsensors (24) und einer Auswertung (24a, 24b).
  7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Versorgungsspannung (19a, 19b, 19c, 19d) für den Elektromotor (7) des Aktuators (6) über eine einstellbare Spannungsquelle oder/und mittels Pulsweitenmodulation erfolgt.
  8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Verfahrensschritt VS3 Verstellen das Signal, dass sich eine zu entkuppelnde Mittelpufferkupplung (1') als Gegenkupplung aus der Mittelpufferkupplung (1) entfernt hat, mittels eines weiteren Endschalters (15) erzeugt wird, der mit der zu entkuppelnden Mittelpufferkupplung (1') als Gegenkupplung zusammenwirkt.
  9. Digitale automatische Kupplung eines Schienenfahrzeugs, wobei die digitale automatische Kupplung eine Mittelpufferkupplung (1, 1') mit einem Gehäuse (1a) ist und eine Hakenscheibe (2) mit einem Antriebsabschnitt (3), einen Aktuator (6) mit einem Betätigungselement (11), welches mit dem Antriebsabschnitt (3) der Hakenscheibe (2) in Zusammenwirkung steht, einen Elektromotor (7) mit einer Motorbremse (12), Endschalter (13, 14, 15) und eine Steuereinrichtung (100) umfasst,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (6) einen Kugelgewindetrieb mit einer Gewindespindel (9) und einer Spindelmutter (10), die mit dem Betätigungselement (11) fest verbunden ist und verdrehfest in dem Aktuator (6) längsverschiebbar geführt ist, und ein Getriebe (8) aufweist, durch welches der Elektromotor (7) und die Gewindespindel (9) gekoppelt sind.
  10. Digitale automatische Kupplung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Endschalter (13) der Endschalter (13, 14, 15) einer Ausgangsstellung des Aktuators (6) zugeordnet ist, und dass ein zweiter Endschalter (14) der Endschalter (13, 14, 15) einer Endstellung bzw. Pufferstellung des Aktuators (6) zugeordnet ist, wobei der erste Endschalter (13) und der zweite Endschalter (14) an dem Kugelgewindetrieb angeordnet sind, und wobei die Spindelmutter (10) oder ein an ihr befestigtes Teil einen Betätiger des ersten und des zweiten der Endschalter (13, 14) bildet.
  11. Digitale automatische Kupplung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein dritter Endschalter (15) der Endschalter (13, 14, 15) in dem Gehäuse (1a) angeordnet ist und mit einem Kontaktabschnitt (1c) einer zu entkuppelnden Mittelpufferkupplung (1') als Gegenkupplung zusammenwirkt.
  12. Digitale automatische Kupplung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Stromsensor (24) mit einer Auswertung (24a, 24b) eine Überwachung des Motorstroms des Elektromotors (7) bildet.
  13. Digitale automatische Kupplung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (100) Versorgungsspannungsquellen (19, 19a, 19b, 19c, 19d) mit zugehöriger Stellelektronik und Stabilisierungsschaltungen sowie PWM-Schaltungseinheit(en), Schaltelemente (20a, 20b), mindestens einen Umpoler (20c), die Zeitverzögerungen (21, 21a), Logikelemente (22, 22a, 22b, 22c, 22d), mindestens eine Bremsschaltung (23) des Elektromotors (7), eine Kurzschlussschaltung (23a) des Elektromotors (7) sowie Auswertungsschaltungen (24a, 24b) und Vergleicher für den mindestens einen Stromsensor (24) aufweist.
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