Vorrichtung zur Steuerung einer Anpresskraft eines Stromabnehmers mit einem Relaisventil

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Steuerung einer Anpresskraft eines

Stromabnehmers eines Fahrzeugs (beispielsweise eines Triebfahrzeugs) an eine

Fahrleitung mit einem Relaisventil, ein Verfahren zum Ausführen einer derartigen

Vorrichtung sowie einen Fahrzeug mit mindestens einer derartigen Vorrichtung.

Stromabnehmer elektrischer Triebfahrzeuge benötigen eine definierte Anpresskraft an die Fahrleitung. Die Fahrleitung ist im gegenständlichen Fall eine Oberleitung konventioneller Ausführung oder innovativer Ausführung wie z.B. Deckenstromschienen.

Ist diese Anpresskraft zu klein, fängt der Stromabnehmer zu springen an. Die daraus resultierenden Kontaktunterbrechungen und Lichtbögen beeinträchtigen die Lebensdauer von Stromabnehmer-Schleifleisten und Fahrleitungen. Ist diese Anpresskraft zu groß, wird die Fahrleitung übermäßig angehoben. Bei unzulässigen Krafteinleitungen in die

Fahrleitung kann deren mechanische Positionierung nicht sichergestellt werden, ein „Einfädeln" des Stromabnehmers und Herunterreißen der Fahrleitung sind typische Konsequenzen.

Gemäß DIN EN 50637:2012 sind die notwendigen Anpresskräfte insbesondere bei Hochgeschwindigkeitsbetrieb (>200km/h) stark ansteigend bis etwa zum Doppelten des Stillstandwertes. Um diesen Anstieg zu gewährleisten, werden nach Stand der Technik Wind leitbleche im Stromabnehmer verwendet, die einerseits aerodynamisch eine

Zusatzkraft aufbringen und andererseits dynamische Auftriebskräfte kompensieren.

Nachteilig ist hierbei, dass die Auslegung und Handhabung dieser Windleitbleche nicht einfach an unterschiedliche Betriebssituationen anpassbar ist. Beispielsweise ist die aerodynamische Zusatzkraft in Hochgeschwindigkeitstunneln signifikant höher als auf freier Strecke. Diese Zusatzkraft ist jedoch auch von Fahrzeugform, Tunnelquerschnitt, Versperrungsmaß (Verhältnis Fahrzeugquerschnitt zu Tunnelquerschnitt),

Querschnittssprüngen und Position des Stromabnehmers im Zugverband abhängig. Auch ist diese Zusatzkraft fahrtrichtungsabhängig (beispielweise je nach Spieß- oder Kniegang eines asymmetrischen Einholm-Stromabnehmers).

Zusätzlich bestehen zunehmend Anforderungen, die Stromabnehmer-Anpresskraft im Stillstand anzuheben, um Überhitzung und Beschädigung von Schleifleiste und

Fahrleitungsdraht im Kontaktpunkt bei hohem Stromfluss durch Beleuchtung,

Klimaanlagen und Fahrgastinformationssysteme bei bereitgestellten Fahrzeugen zu vermeiden. Windleitbleche können jedoch keine Zusatzkraft aufbringen, wenn sich das Triebfahrzeug im Stillstand befindet.

Aus dem Stand der Technik sind heute einstufige und zweistufige (festeingestellte, aber justierbare) Drücke bekannt, die den Stromabnehmer durch einen volumenvariablen Hebebalg an die Fahrleitung drücken. In einzelnen Fällen werden bereits

elektronpneumatisch (ep) geregelte Druckansteuerungen verwendet, wie sie z.B. aus EP 1 539 528 A1 bekannt sind. Darin wird gezeigt, wie die von Bahnbetreibern geforderte

Rückfallebene bei Störung des ep-Reglers über ein Umschaltventil erfolgt. Ein ep-Regler wird im Störungsfall auf ein festeingestelltes justierbares Druckminderventil umgeschaltet. Der ep-Regler steuert die Anpresskraft im Regelbetrieb des Triebfahrzeuges. Nachteilig ist hierbei, dass die Anpresskraft über den Regler nicht genau genug angesteuert werden kann und hoher Luftverbrauch verursacht wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung zu schaffen, die eine genauere Ansteuerung der benötigten Anpresskräfte zwischen einem Stromabnehmer und einer Fahrleitung durchführt, die besser zu verschiedenen Betriebssituationen passen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Vorrichtung zur Steuerung oder Regelung einer Anpresskraft zwischen einer Fahrleitung und einem Stromabnehmer eines

Fahrzeugs nach Anspruch 1 gelöst. Weiterhin wird die Aufgabe mit einem Verfahren nach Anspruch 16, 17 oder 18 unter Verwendung einer derartigen Vorrichtung gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.

Erfindungsgemäß besteht die Lösung der Aufgabe in einer Vorrichtung zum Steuern einer Anpresskraft zwischen einer Fahrleitung und einem Stromabnehmer eines Fahrzeugs, die pneumatisch oder hydraulisch betätigt wird. Dabei kann z.B. Luft oder Öl als Druckmedien verwendet werden. Während des Hebens oder Senkens des Stromabnehmers befindet sich der Mediendruck im Gleichgewicht mit der Schwerkraft (Gewicht) des

Stromabnehmers. Die benötigte Anpresskraft erfolgt durch eine Druckerhöhung eines Arbeitsdrucks, die durch Steuerung oder Regelung eines Leistungsdrucks mittels eines Vorsteuerdrucks aus einem Vorsteuerkreis ermöglicht ist. Wenn die Betriebssituation eine zusätzliche Anpresskraft erfordert, wird der Vorsteuerdruck im Vorsteuerkreis eingestellt, um den Leistungsdruck zu steuern und den Arbeitsdruck zu erhöhen.

Vorzugsweise weist der Vorsteuerkreis einen Basissteuerkreis einschließlich einer Basissteuervorrichtung (z.B. eines Druckminderventils) zur Einstellung eines ersten Vorsteuerdrucks (eines Basis-Vorsteuerdrucks), einen Zusatzsteuerkreis einschließlich einer Zusatzsteuervorrichtung (z.B. eines Reglers) zur Einstellung eines zweiten

Vorsteuerdrucks und eine Einsteilvorrichtung einschließlich eines Relaisventils zum Steuern des Leistungsdrucks und zur Bereitstellung des Arbeitsdrucks auf. Nach der Einsteilvorrichtung wird der Arbeitsdruck auf den Stromabnehmer geleitet, wobei weitere Elemente zur Beeinflussung von Druck oder Volumenstrom zwischengeschaltet werden können. Ein Arbeitsdrucksteuerkreis ist vorgesehen, der bestimmt, ob der Arbeitsdruck schnell oder langsam zu dem Stromabnehmer geleitet werden soll. Zusätzlich kann der Arbeitsdrucksteuerkreis so konfiguriert sein, dass der Arbeitsdruck auf einen maximalen Wert begrenzt wird, um einen zu hohen Druck auf den Stromabnehmer bzw. die

Fahrleitung zu vermeiden, um eine Beschädigung zu verhindern.

Das Relaisventil ist derart ausgelegt, dass einer oder mehrere Eingänge für einen oder mehrere Vorsteuerdrücke mit jeweils einem Kleinquerschnitt vorgesehen ist/sind und ein Eingang für den Leistungsdruck und ein Ausgang für den Arbeitsdruck mit

Großquerschnitten vorgesehen sind, damit eine hochdynamische Vorsteuerdruckregelung üblicherweise 1 :1 auf den volumenstarken Arbeitsdruck übersetzt werden kann. Zusätzlich kann in einer Ausführungsvariante ein Übersetzungsverhältnis anderes als 1 :1 realisiert werden. Zum Beispiel, wenn das Übersetzungsverhältnis 1 :5 gewählt ist, wirken sich 10 bar im Vorsteuerkreis mit einem Ausgangsdruck von 2 bar am Ausgang des Relaisventils aus. Eine Abweichung ist in diesem Fall auch proportional reduziert. Wenn zum Beispiel die Abweichung im Vorsteuerkreis ± 0, 1 bar beträgt, beträgt die Abweichung im Ausgang des Relaisventils nur ± 0,02 bar, was einer absoluten Reduzierung der Abweichung entspricht, und somit eine Erhöhung der Steuergenauigkeit und eine Verringerung der Hysterese ermöglicht.

Vorzugsweise weist der Vorsteuerkreis neben dem Regler noch einen Drucksensor und zwei Regelventile auf. Der Drucksensor ist vorgesehen, um dem Regler des

Vorsteuerkreises Drucksignale zur Verfügung zu stellen. Durch das kleine Steuervolumen des Vorsteuerkreises kann die höhere Dynamik dazu beitragen, eine höhere

Steuergenauigkeit zu erlangen. Durch eine große Auflösung des Drucksensors ist ein tiefes Regelniveau (kleine Drücke) des Reglers des Zusatzsteuerkreises möglich und dadurch kann eine kleinere Toleranz (höhere Regelgenauigkeit) bei gleichzeitig kleinerer Hysterese realisiert werden.

Dem Vorsteuerkreis steht stets ein konstantes Steuervolumen zur Verfügung, da das variable Arbeitsvolumen vom Relaisventil abgetrennt wird. Der Regler des

Vorsteuerkreises kann präziser den Druck einstellen als ein direkter Regler des

Arbeitsdrucks mit variablen Volumen.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist zur Überwachung des Reglers u.a. ein Zustandsautomat vorgesehen, um den Arbeitsdruck zu überwachen, ob er eine Mindestdruckvorgabe unterschreitet, eine Höchstdruckvorgabe überschreitet, oder von einer Bandbreite zwischen Soll- und Ist-Wert abweicht. Wenn einer dieser Fälle auftritt, findet eine Schnellabschaltung statt. Die Schnellabschaltung wirkt auf den Vorsteuerkreis. Je nach Aufbau des zweiten Vorsteuerdrucks als additive Regelung zu einem Basis- Vorsteuerdruck oder als absolute Vorsteuerdruckregelung kann ein gewisser

Schnellabschaltarbeitsdruck eingestellt werden. Zusätzlich kann die Schnellabschaltung auch auf den Leistungsdruck wirken und derart die Versorgung des Relaisventils unterbinden, wodurch der Arbeitsdruck in jedem Fall abgelassen wird. Dies kann über ein Hauptbestätigungsventil oder durch ein nahe am Stromabnehmer platziertes Kolbenventil oder Notbremsventil mit internem Druckvergleich und Referenzdruckvolumen erfolgen. Anstelle eines Zustandsautomaten ist beispielweise eine Elektro-, Elektronik- oder Mikroprozessoreinheit (gegebenenfalls mit einer gemäß einem Sicherheitslevel

eingestuften Software) zum Überwachen des Arbeitsdrucks möglich. Vergleichssignale für diese Überwachungseinrichtung können aus dem Drucksensor des Zusatzsteuerkreises und / oder einem für den Arbeitsdruck vorgesehenen Drucksensor gewonnen werden. Noch ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Vorrichtung derart ausgeführt wird, dass bei unveränderter Anpresskraft kein Verbrauch von Druckmedien stattfindet, wodurch ein ständiger Medienverbrauch vermieden wird, der eine hohe Anzahl von Kompressor- Laufzyklen des Fahrzeugs verursacht, die zu signifikanter Energieverschwendung, Lärmentwicklung und Verschleiß am Kompressor führen. Die daraus resultierende

Energie-Effizienz stellt die Energieversorgung des Fahrzeugs sicher, besonders wenn erhebliche Energiemengen für Beleuchtung und Klimatisierung via Stromabnehmer zu dem Fahrzeug benötigt werden.

Im Folgenden werden vier Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Steuervorrichtung eines

Stromabnehmers gemäß der Erfindung;

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Vorsteuerkreises der Steuervorrichtung eines Stromabnehmers gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Vorsteuerkreises der Steuervorrichtung eines Stromabnehmers gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung; Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Vorsteuerkreises der Steuervorrichtung eines Stromabnehmers gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Vorsteuerkreises der Steuervorrichtung eines Stromabnehmers gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 1 zeigt einen Teil eines Fahrzeugs 10, einen Stromabnehmer 12, eine Fahrleitung 20 und eine Steuervorrichtung 22 des Stromabnehmers 12. Das Druckmedium Luft strömt in Einströmungsrichtung 90 von einem Druckeingang 24 über einen Luftfilter 34 in die Steuervorrichtung 22 ein. Wenn sich das Fahrzeug 10 im Betrieb oder Stand-by-Modus befindet, ist die Steuervorrichtung 22 über ein Umschaltventil 28a eingeschaltet. Ein Umschaltventil 28b und eine Einrichtung 30 stellen Überwachungseinrichtungen dar.

Während des Betriebs des Fahrzeugs 10 wird eine bestimmte Anpresskraft zwischen dem Stromabnehmer 12 und der Fahrleitung 20 benötigt, um einen sicheren Übergang der Energie von der Fahrleitung 20 über den Stromabnehmer 12 zu dem Fahrzeug 10 zu gewährleisten. Dieser Arbeitsdruck wird durch einen Vorsteuerkreis 32 mit einer

Einstellvorrichtung 50 erzielt und danach von einem Arbeitsdruckregelkreis 60 gesteuert.

Der Vorsteuerkreis 32 weist einen Basissteuerkreis 56, einen Zusatzsteuerkreis 26 sowie einen Einstellvorrichtung 50 auf. Ein Leistungsdruck wird einer ersten Druckmedienleitung 52, dem Basissteuerkreis 56, und dem Zusatzsteuerkreis 26 zugeführt. Der

Basissteuerkreis 56 stellt einen ersten Vorsteuerdruck (Basis-Vorsteuerdruck) ein und der Zusatzsteuerkreis 26 stellt einen zweiten Vorsteuerdruck ein, wobei der erste

Vorsteuerdruck und der zweite Vorsteuerdruck über je eine zweite Druckmedienleitung 54 weiter zu der Einstellvorrichtung 50 geführt werden, um den Leistungsruck von der ersten Druckmedienleitung 52 darin zu steuern.

Fig. 2 zeigt einen Vorsteuerkreis 32 der Steuervorrichtung 22 gemäß eines ersten

Ausführungsbeispiels der Erfindung. Der Vorsteuerkreis 32 weist ein Druckminderventil 36, ein Umschaltventil 28c, einen Zusatzsteuerkreis 26 einschließlich eines Reglers 38, eines Drucksensors 72a, eines ersten Regelventiles 76 zum Druckabbau, eines zweiten Regelventiles 78 zum Druckaufbau, ein Relaisventil 40 und einen Drucksensor 72b auf.

Das Druckminderventil 36 ist zur Einstellung des ersten Vorsteuerdrucks (Basis- Vorsteuerdrucks) ausgelegt, und der Regler 38 ist zur Einstellung des zweiten

Vorsteuerdrucks (Zusatz-Vorsteuerdrucks) ausgelegt, wobei der Basis-Vorsteuerdruck und der Zusatz- Vorsteuerdruck jeweils über die zweite Druckmedienleitung 54 zu Eingängen 46a und 46b des Relaisventils 40 geführt sind. Das Relaisventil 40 ist so ausgelegt, dass eine Addition der Vorsteuerdrücke nach den Eingängen 46a und 46b stattfindet, um den Leistungsdruck von der ersten Druckmedienleitung 52 mit dem addierten Vorsteuerdruck zu steuern und den Arbeitsdruck von einem Ausgang 42 des Relaisventils 40 auszulassen. Das Umschaltventil 28c ist vorgesehen, um den Zusatzsteuerkreis im Notfall auszuschalten. Die Drucksensoren 72a und 72b sind vorgesehen, um den Zusatz- Vorsteuerdruck im Zusatzsteuerkreis 26 und den Arbeitsdruck am Ausgang 42 des Relaisventils zu messen.

Fig. 3 zeigt einen Vorsteuerkreis 32 der Steuervorrichtung 22 gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung. Im Vergleich zu Fig. 2 weist der Vorsteuerkreis 32 in Fig. 3 ebenfalls ein Druckminderventil 36, ein Umschaltventil 28c, einen Vorsteuerkreis 26 einschließlich eines Reglers 38, eines Drucksensors 72a, eines ersten Regelventiles 76 zum Druckabbau, eines zweiten Regelventiles 78 zum Druckaufbau, ein Relaisventil 40 und einen Drucksensor 72b auf. Der Unterschied zu Fig. 2 liegt darin, dass das

Umschaltventil 28c in seiner Position vorschoben ist, ein Doppelrückschlagventil 80 zusätzlich vorgesehen ist und das Relaisventil 40 nur einen Eingang 46 aufweist. Das Umschaltventil 28c ist in Fig. 3 an eine Stelle verschoben, an der eine Umschaltung zwischen dem ersten Vorsteuerdruck und dem zweiten Vorsteuerdruck durchgeführt werden kann. Das Doppelrückschlagventil 80 ist vorgesehen, um einen Druckvergleich zwischen den Vorsteuerdrücken durchzuführen und den jeweils größeren Druck weiter zu dem Eingang 46 des Relaisventils 40 durchzulassen.

Fig. 4 zeigt einen Vorsteuerkreis 32 der Steuervorrichtung 22 gemäß eines dritten

Ausführungsbeispiels der Erfindung. Im Vergleich zu Fig. 3 weist der Vorsteuerkreis 32 ebenfalls ein Druckminderventil 36, ein Umschaltventil 28c, einen Zusatzsteuerkreis 26 einschließlich eines Reglers 38, eines Drucksensors 72a, eines ersten Regelventiles 76 zum Druckabbau, eines zweiten Regelventiles 78 zum Druckaufbau, ein Relaisventil 40 und einen Drucksensor 72b auf. Der Unterschied zu Fig. 3 liegt darin, dass das

Doppelrückschlagventil 80 im Vorsteuerkreis 32 entfällt und das Relaisventil 40 mit zwei Eingängen 46a und 46b vorgesehen ist. Der Druckvergleich analog zu Fig. 3 ist in den Eingängen 46a, 46b des Relaisventils 40 integriert, damit nur der jeweils größere Druck von dem ersten Vorsteuerdruck (Basis-Vorsteuerdruck) und dem zweiten Vorsteuerdruck (ggf. einschließlich des Basis-Vorsteuerdrucks) zur Steuerung des Leistungsdrucks wirkt.

Fig. 5 zeigt einen Vorsteuerkreis 32 der Steuervorrichtung 22 gemäß eines vierten

Ausführungsbeispiels der Erfindung. Im Vergleich zu Fig. 4 weist der Vorsteuerkreis 32 auch ein Druckminderventil 36, ein Umschaltventil 28c, einen Zusatzsteuerkreis 26 einschließlich eines Reglers 38, eines Drucksensors 72a, eines ersten Regelventiles 76, eines zweiten Regelventiles 78, ein Relaisventil 40 und ein Drucksensor 72b auf. Der Unterschied zu Fig. 4 liegt darin, dass das Umschaltventil 28c in seiner Position innerhalb des Vorsteuerkreises 32 verschoben ist und das Relaisventil 40 nur einen Eingang 46 aufweist. Das Umschaltventil 28c ist dorthin verschoben, um eine Umschaltung zwischen dem ersten und dem zweiten Vorsteuerdruck durchzuführen und nur einen Druck davon weiter zu dem Relaisventil zur Steuerung des Leistungsdrucks durchzulassen.

BEZUGSZEICHENLISTE

10 Fahrzeug

12 Stromabnehmer

20 Fahrleitung

22 Steuervorrichtung

24 Druckeingang

26 Zusatzsteuerkreis

28a, 28b, 28c Umschaltventil

30 Einrichtung

32 Vorsteuerkreis

34 Luftfilter

36 Druckminderventil

38 Regler

40 Relaisventil

42 Ausgang eines Relaisventils

46, 46a, 46b Eingang eines Relaisventils

50 Einstellvorrichtung

52 Erste Druckmedienleitung

54 Zweite Druckmedienleitung

56 Basissteuerkreis

60 Arbeitsdrucksteuerkreis

72a, 72b Drucksensor

76 Erstes Regelventil

78 Zweites Regelventil

80 Doppelrückschlagventil

90 Richtungspfeil