AT404743B

AT404743B - Kurvenzug einer weiche sowie gleisverbindung unter verwendung eines derartigen kurvenzuges

Info

Publication number: AT404743B
Application number: AT0225496A
Authority: AT
Inventors: Johannes Rainer Dipl In Oswald; Hannes Ing Gsodam; Peter Ernst Klauser
Original assignee: Vae Ag
Priority date: 1996-12-23
Filing date: 1996-12-23
Publication date: 1999-02-25
Also published as: AU7874398A; US6371418B1; NO993100D0; DE59709416D1; AU719664B2; PL334563A1; EP0956390B1; KR20000069684A; CN1114733C; EP0956390A1; ZA9711510B; HUP0001072A3; NO993100L; PT956390E; WO1998028492A1; CA2275768A1; HUP0001072A2; ATA225496A; ES2192280T3; CN1246168A

Description

AT 404 743 B

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kurvenzug einer Weiche mit Weichenzungen, einem Stammgleis und einem Zweiggleis, wobei der Kurvenzug vom Kurvenzuganfang bis zum Kurvenzugende aus mehreren Abschnitten unterschiedlicher Krümmung £ besteht, wobei R den Krümmungsradius bedeutet.

Aus dem Artikel in ETR 39(1990), H.1/2, Januar/Februar von Reimar Holzinger und Dieter Fritz, Entwicklung moderner Hochleistungsweichen zur Wahrung der Zukunftschancen der Bahn sind eine Reihe von Weichengeometrien für die Anforderung eines Hochgeschwindigkeitsverkehrs bekanntgeworden, welche sich in der Regel durch ein hohes Maß an Symmetrie auszeichnen, um plötzliche Richtungs- bzw. Krümmungsänderungen im Gleis und damit übergroße Querbeschleunigungen zu verhindern. Die in diesem Artikel angestellten Betrachtungen betreffen Übergangsbögen vom Typ einer Klothoide, Cosinusparabel und Sinusübergangsbögen, wobei ausführliche Betrachtungen zu Beschleunigungsänderungen (Ruck) angestellt werden.

Der WO 95/31604 A1 ist ein Kurvenzug für den Verlauf von Schienen vom Stammgleis zu einem Zweiggleis zu entnehmen, bei welchem gleichfalls ausgehend von einem ersten Endabschnitt mit einem Krümmungsradius gegen unendlich beginnend, das jeweils andere Ende der Weiche wiederum mit einem Radius gegen unendlich endend ausgebildet ist, um zusätzliche Schwingungsanregungen, die sich störend auf Fahrzeuge auswirken können, zu vermeiden. Bei dieser bekannten Ausbildung wurde ein Kurvenzug gewählt, welcher sich aus drei Abschnitten zusammensetzt, wobei drei etwa gleich lange Abschnitte eingesetzt werden. Ausgehend von einer Krümmung mit einem gegen unendlich tendierenden Krümmungsradius wird ein mittlerer Abschnitt mit konstanter Krümmung gewählt, deren Radius über den Kurvenzug ein Minimum darstellt. Insgesamt ergibt sich somit der Verlauf zweier konventioneller Klothoiden mit einem Zwischenabschnitt in der Form eines Kreisbogens.

Die Erfindung zielt nun darauf ab, einen Kurvenzug der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welcher sich insbesondere im Hochgeschwindigkeitsbetrieb ein geringerer Verschleiß der Bauteile und damit eine höhere Lebensdauer sowie niedrigere Gesamtkosten ergeben. Gleichzeitig zielt die Erfindung darauf ab, den Wartungsaufwand und den Fahrkomfort derartiger Weichen vor allem für Hochgeschwindigkeitsweichen zu verbessern. Zur Lösung dieser Aufgabe besteht der erfindungsgemäße Kurvenzug einer Weiche im wesentlichen darin, daß der Krümmungskoeffizient a = 1/R / 1/Rmin am Kurvenzuganfang (aA) und am Kurvenzugende (aE) £ 0 gewählt ist und daß die Stelle oder ein Bereich, in welchem α = 1 in einem relativen Abstand v = L/Lges * 0,5 vom Kurvenzuganfang liegt, worin L der Abstand vom Kurvenzuganfang und Lges die Länge des Kurvenzuges bezeichnet. Mit der Krümmung 1/R wird ein dimensionsloser Krümmungskoeffizient a definiert, welcher gleich dem Quotient aus der momentanen Krümmung 1/R und der maximalen Krümmung 1/Rmin ist, wobei sich die maximale Krümmung wiederum aus dem Quotienten 1 durch den minimalen Radius ergibt. Dadurch kann a Werte zwischen 0 und 1 annehmen, somit ist an den Stellen, an welchen a gleich 0 ist, der Radius gegen unendlich tendierend, da ja der minimale Radius einen endlichen Wert aufweist. An der Stelle der maximalen Krümmung und damit des minimalen Radius nimmt dieser Koeffizient a den Wert 1 an. Neben der Definition des Wertes α wird in der Folge noch ein Koeffizient v definiert, welcher den jeweiligen Abstand des betrachteten Punktes des Kurvenzuges vom Kurvenzugbeginn mit der Gesamtlänge des Kurvenzuges in Relation setzt. Der Wert v ist somit am Kurvenzuganfang gleich 0 und am Kurvenzugende gleich 1 und nimmt beliebige Werte zwischen 0 und 1 in direkter Proportion zum Abstand vom Kurvenzuganfang an. Fahrdynamische Untersuchungen haben unter Berücksichtigung des üblichen Verlaufs von Querschnittsänderungen der betroffenen Bauelemente, wie z.B. Zunge und Herzspitze, nun gezeigt, daß durch Abkehr von der üblichen Symmetrie im Aufbau derartiger Kurvenzüge sowohl der Verschleiß verringert, als auch der Komfort dadurch erhöht werden kann, daß die Stelle oder der Bereich mit a = 1 in einem relativen Abstand v * 0,5 vom Kurvenzuganfang liegt.

Es hat sich nun gezeigt, daß die Kurvenzuggeometrie noch dahingehend weiter optimiert werden kann, wenn die Fahrtrichtung, in welcher die Weiche üblicherweise befahren wird, mit in die Geometrieüberlegungen aufgenommen wird. Mit besonderem Vorteil ist dabei für eine beidseitig befahrene Weiche aA und aE zwischen 0 und 0,5 und * für amax zwischen 0,45 und 0,8 und ungleich 0,5 gewählt. Eine beidseitig befahrene Weiche bedeutet dabei, daß die Weiche sowohl spitz, als auch stumpf befahren wird. Eine hauptsächlich in eine Richtung befahrene Weiche ist mit besonderem Vorteil so ausgeführt, daß für eine spitz befahrene Weiche aA zwischen 0 und 0,5, aE zwischen 0,5 und 1 und v für amax zwischen 0,4 und 1 und ungleich 0,5 gewählt ist und daß für eine stumpf befahrene Weiche aA zwischen 0,3 und 0,7, aE zwischen 0 und 0,5 und v für amax zwischen 0,3 und < 0,5 gewählt ist. Die oben für die verschiedenen Befahrungsrichtungen angegebenen Werte für die verschiedene Kurvenzuggeometrien sind hinsichtlich minimaler Seitenbeschleunigungen und Einlaufruck sowie geringer Verschleißerscheinungen und kleiner Radschienenkräfte optimiert. Eine geringe Seitenbeschleunigung und Einlaufruck gewährleistet dabei einen hohen Komfort bei der Befahrung der Weiche, ein geringer Verschleiß und kleine Radschienenkräfte ermöglichen eine hohe Lebensdauer der Weiche. 2

AT 404 743 B

In besonders vorteilhafter Weise ist die erfindungsgemäße Ausbildung so getroffen, daß zwischen Kurvenzuganfang und dem Kurvenzugende eine und nur eine Stelle maximaler Krümmung bzw. mit minimalem Radius mit v * 0,5 vorgesehen ist. Auch hier ist die Abkehr von der bisher gewählten Symmetrie, wie sie beispielsweise in der WO 95/31604 A1 vorgeschlagen wurde, mit einer wesentlichen Verbesserung des Komforts und einer Verringerung des Verschleißes verbunden. Wenn eine und nur eine Stelle maximaler Krümmung vorgesehen ist, kann die Kurvenzuggeometrie die Gestalt einer Scheitelklothoi-de im gekrümmten Verlauf aufweisen, wobei v im Falle der Verwendung einer derartigen Scheitelklothoide in Übereinstimmung mit der oben gewählten Definition einen Wert von * 0,5 annimmt. Bei Cosinoiden ist es bekannt, die Werte a am Kurvenzuganfang und am Kurvenzugende voneinander verschieden zu wählen, wobei auch hier bisher üblicherweise der Wert α am Kurvenzugende mit 0 und damit stetig in die Anschlußschiene übergehend gewählt wurde. Wenn, wie es einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung entspricht, anstelle einer und nur einer Stelle maximaler Krümmung ein Zwischenbereich gewählt wird, wird mit Vorteil die Ausbildung so getroffen, daß zwischen Kurvenzuganfang und Kurvenzugende ein Abschnitt konstanter maximaler Krümmung angeordnet ist, wobei der Radius ein Minimum darstellt und dessen Mitte außerhalb der Mitte zwischen Kurvenzuganfang und dem Kurvenzugende angeordnet ist, wobei auch hier wiederum von den bisherigen Symmetrieüberlegungen abgegangen wird. Der mittlere Bereich eines derartigen Kreisbogenabschnittes liegt ebenso wie die zuvor genannte eine und nur eine Stelle maximaler Krümmung nicht in der Längsmitte des Kurvenzuges, wodurch sich die Verbesserung in Bezug auf Verschleiß und Fahrkomfort ergibt.

In besonders einfacher Weise ist die Ausbildung so getroffen, daß die von der Kreisbogenform verschiedenen Abschnitte von Klothoiden und/oder Cosinoiden gebildet sind. Nimmt man, wie bereits oben angeführt, zusätzlich die Fahrtrichtung in die Überlegungen der Weichengeometrie auf, so ist die Kurvenzuggeometrie mit besonderem Vorteil so definiert, daß bei einer spitz befahrenen Weiche die Stelle mit maximaler Krümmung am Kurvenzugende angeordnet ist. Bei Scheitelklothoiden und Cosinoiden wird hiebei in der Regel eine und nur eine Stelle maximaler Krümmung beobachtet, wobei in diesen Fällen die Ausbildung so getroffen wird, daß bei Scheitelklothoiden oder Cosinoiden, insbesondere bei Stumpfbefahrung die Stelle maximaler Krümmung näher dem Kurvenzuganfang angeordnet ist.

Wie eingangs bereits erwähnt ist der erfindungsgemäße Kurvenzug besonders für die Ausbildung von Gleisverbindungen, welche mit hohen Geschwindigkeiten befahren werden sollen, geeignet. Eine erfindungsgemäße Gleisverbindung unter Verwendung von beidseitig befahrenen Weichen der eingangs genannten Art ist hiebei bevorzugt so ausgestaltet, daß die Kurvenzugenden mit einem <*E zwischen 0 und 0,5 in einen geradlinigen Verbindungsabschnitt übergehen. Die Gleisverbindung ist in einer besonders bevorzugten Weise so getroffen, daß der geradlinige Abschnitt eine Länge von 5 bis 30 % der Gesamtlänge Lges eines Kurvenzuges aufweist. Durch diesen geradlinigen Verbindungsabschnitt im Verhältnis von 5 bis 30 % der Gesamtlänge eines Kurvenzuges wird eine wesentlich erhöhte Beruhigung des Fahrzeuglaufes erreicht.

Die erfindungsgemäßen Weichengeometrien sind somit vor allen Dingen für mit hoher Geschwindigkeit befahrene Gleisverbindungen einsetzbar, wobei die erfindungsgemäße Kombination von verschiedenen Weichengeometrien, wie oben definiert, einen wesentlich niedrigeren Verschleiß und eine wesentlich höhere Lebensdauer gewährleisten.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In dieser zeigen Fig. 1 eine schematische Draufsicht auf eine konventionelle Gleisverbindung, bei welchen zwei Zweiggleise unter Anwendung eines konstanten Krümmungsradius in einen im wesentlichen geradlinigen Zwischenabschnitt übergehen. In Fig. 2 ist das zugehörige Diagramm dargestellt, in welcher die Krümmung £ über die Länge L der Gieisverbindung aufgetragen wurde. In Fig. 3 ist nun anstelle der Krümmung r der dimensionslose Krümmungskoeffizient α über die Lange einer Gleisverbindung mit den erfindungsgemäßen Kurvenzügen aufgetragen, Fig. 4 zeigt eine Einzelweichengeometrie einer Scheitelklothoide, wobei α gegen v aufgetragen wurde und Fig. 5 zeigt eine analoge Darstellung für eine Cosinoide und Fig. 6 bis 8 zeigen die Werte für spezielle Ausbildungen von Weichen.

In Fig. 1 ist das Hauptgleis jeweils mit 1 bezeichnet, wobei die Länge des jeweiligen Kurvenzuges mit Lges in der Darstellung nach Fig. 2 bezeichnet ist. Bei der Ausbildung nach Fig. 1 und 2 wurde eine konventionelle Kurvenzuggeometrie nach dem Stand der Technik dargestellt, wobei die Zweiggleise 2 mit konstantem Radius abzweigen und in einen geradlinigen Mittelabschnitt 3 übergehen. Die Änderung der Krümmung k über die Länge L der Gleisverbindung ist unmittelbar der Fig. 2 zu entnehmen.

Bei der Ausbildung nach Fig. 3 ist nun analog der Darstellung nach Fig. 2 unter Verwendung der Definition von α anstelle der Krümmung £ eine Gleisverbindung schematisch dargestellt, welche in beiden Richtungen befahren wird. Es wurde jeweils innerhalb des Einzelkurvenzuges eine Klothoide zwischen den Längenabschnitten n bis v2, ein Kreisbogen zwischen V2 und n und eine weitere Klothoide zwischen »3 und vt, angeordnet, wobei zwischen »* und vs der geradlinige Abschnitt der Gleisverbindung angeordnet ist. 3

AT 404 743 B

Bei dieser Darstellung ist ersichtlich, daß der erste klothoidenförmige Teilbereich, welcher durch einen linearen Anstieg des Wertes a von on auf α2 gekennzeichnet ist und mit 4 bezeichnet ist, an der Stelle v2 bei maximaler Krümmung und damit kleinstem Krümmungsradius in einen Kreisbogenabschnitt 5 übergeht, dessen Länge sich von v2 bis *3 erstreckt. Der Wert a2 bzw. «3 ist hier definitionsgemäß gleich 1, worauf anschließend der Kurvenzug in eine Klothoide 6 übergeht, welche nun mit einem <*<. * αι und * 0 endet. Am Ende des ersten Kurvenzuges, welches durch den Punkt vn definiert ist, weist die Verhältniszahl a bei dem gewählten Ausführungsbeispiel einen Wert von etwa 0,2 bis 0,3 auf, wobei sich der geradlinige Abschnitt bis Ende des zweiten Kurvenzuges bei *5 erstreckt. An dieser Stelle wurde die stumpf befahrene Klothoide wiederum mit einem as * 0 ausgebildet, sodaß auch hier ein unstetiger Übergang in den Kurvenzug der anschließenden Weiche auftritt. Insgesamt ist die zweite Weiche dieser Gleisverbindung spiegelsymmetrisch gleich der asymmetrisch aufgebauten ersten Weiche ausgebildet, sodaß im Einlaufbereich hier wiederum eine Klothoide 6 und im Anschluß an »5 ein Kreisbogenabschnitt 5 vorgesehen ist, welcher in eine Klothoide 4 mündet. Der Kurvenzuganfang dieser in beiden Richtungen mit hoher Geschwindigkeit befahrenen Gleisverbindung ist wiederum mit gegen unendlich tendierendem Krümmungsradius ausgebildet, sodaß αβ = αι = 0 an der Stelle n wird. Die dazwischen liegenden Bereiche wurden jeweils mit fortlaufenden Indizess bezeichnet. Für diese Ausbildung einer mit hoher Geschwindigkeit in beide Fahrtrichtungen befahrbaren Gleisverbindung gilt somit, daß der Betrag von gleich dem Betrag von as * 0 gewählt ist, wohingegen die beiden Weichenanfänge der Gleisverbindung bei αι und aa den Wert α = 0 annehmen.

In den Fig. 4 und 5 sind andere Formen von Einzelweichen näher erläutert, wobei in Fig. 4 zwei Scheitelklothoiden 7 und 8 dargestellt sind. Die Scheitelklothoide 7 für die Spitzbefahrung weist ihre maximale Krümmung bzw. ihr maximales α an der Stelle *3 auf, wobei der Wert hier mit a3 bezeichnet wurde. Die Klothoide selbst ist wiederum asymmetrisch ausgebildet, wobei der Verlauf von £ an der Stelle V2 einen Knick aufweist. Bei einer für die Stumpfbefahrung besonders vorteilhaften Scheitelklothoide, wie sie mit 8 in Fig. 4 bezeichnet ist, wird abweichend von der Ausbildung bei der Spitzbefahrung αι * 0 gewählt, α steigt bei dieser für die Stumpfbefahrung besonders vorteilhaften Scheitelklothoidengeometrie bis zur Stelle η an und erreicht das Maximum a2 näher dem stumpf befahrenen Kurvenzuganfang. 03 an der Stelle ^3 ist hier wiederum größer 0 gewählt und ungleich 01 an der Stelle m. Bei der in Fig. 5 dargestellten Weichengeometrie einer Cosinoiden ist <*j an der Stelle vi > 0 und durchläuft an der Stelle v2 ein Maximum mit dem Wert a2. Die Änderung des Kurvenradius geht weiter bis zur Stelle n an der Zunge abgewandten Ende der Cosinoide, wo a2 einen von αι verschiedenen und von 0 verschiedenen Wert annimmt. y2 liegt wiederum außermittig zwischen n und «-3, wodurch die gewünschten Effekte in Bezug auf Verschleißminderung und Komfortverbesserung erzielt werden.

Die optimalen Weichengeometrien für die beidseitig befahrene Weiche sind in Fig. 6, für eine spitz befahrene Weiche in Fig. 7 und für eine stumpf befahrene Weiche in Hg. 8 aufgetragen. Dabei bezeichnen aA die Krümmungskoeffizienten am Kurvenzuganfang, aE die Krümmungskoeffizienten am Kurvenzugende und v (amax) die Bereiche der maximalen Krümmung mit α = 1. Die schraffierte Linie bestimmt hiebei den Bereich der durch die praktische Machbarkeit eher umsetzbar sein dürfte. Die volle Linie bestimmt den optimalen Lösungsbereich.

In der Folge werden Beispiele für die Kurvenzuggeometrie für verschiedene Befahrungsrichtungen angegeben, die hinsichtlich minimaler Seitenbeschleunigungen und Einlaufruck bei möglichst geringen Verschleißerscheinungen und Radschienenkräften also hinsichtlich höchstmöglichem Komfort und einer maximalen Lebensdauer optimiert werden. Dabei ergibt sich für einen beidseitig befahrenen Kurvenzug einer Weiche eine optimierte Lösung für eine Scheitelklothoidengeometrie, wobei aA = 0,05 oe = 0 »(«max) = 0,6 ist. Für einen spitz befahrenen Kurvenzug einer Weiche ergibt sich eine optimierte Lösung für eine Klothoide-Kreisbogen-Klothoide-Geometrie, wobei aA = 0,1 ag = 0,65 i'(amax) = 0,5 bis 0,7 ist. Für einen stumpf befahrenen Kurvenzug einer Weiche ergibt sich eine optimierte Lösung für eine Scheitelklothoidengeometrie, wobei 4

Claims

AT 404 743 B OtA = 0,5 aE = 0 »'(“max) = 0,35 ist. Bei Geschwindigkeiten von 2 160 km/h ergibt sich für eine optimale Gleisverbindung, welche aus zwei beidseitig befahrenen Kurvenzügen besteht, eine optimierte Lösung für eine Scheitelklothoidengeometrie, wobei <»A1 = <*A2 = 0,05 αεί = oe2 = 0 K«max) = 0,6 und die Länge des Verbindungsabschnittes = 5 % des Kurvenzuges L^ ist. Patentansprüche 1. Kurvenzug einer Weiche mit Weichenzungen, einem Stammgleis und einem Zweiggleis, wobei der Kurvenzug vom Kurvenzuganfang bis zum Kurvenzugende aus mehreren Abschnitten unterschiedlicher Krümmung £ besteht, wobei R den Krümmungsradius bedeutet, dadurch gekennzeichnet, daß der Krümmungskoeffizient α = 1/R / 1/Rmin am Kurvenzuganfang (aA) und am Kurvenzugende (aE) ä 0 gewählt ist und daß die Stelle oder ein Bereich, in welchem α = 1 in einem relativen Abstand v = L/Lges * 0,5 vom Kurvenzuganfang liegt, worin L der Abstand vom Kurvenzuganfang und Lg,* die Länge des Kurvenzuges bezeichnet.
2. Kurvenzug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß für eine beidseitig befahrene Weiche aA und oE zwischen 0 und 0,5 und v für amax zwischen 0,45 und 0,8 und ungleich 0,5 gewählt ist.
3. Kurvenzug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für eine spitz befahrene Weiche aA zwischen 0 und 0,5, aE zwischen 0,5 und 1 und v für amex zwischen 0,4 und 1 und ungleich 0,5 gewählt ist.
4. Kurvenzug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für eine stumpf befahrene Weiche aA zwischen 0,3 und 0,7, a£ zwischen 0 und 0,5 und v für amax zwischen 0,3 und < 0,5 gewählt ist.
5. Kurvenzug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Kurvenzuganfang und Kurvenzugende eine und nur eine Stelle maximaler Krümmung bzw. mit minimalem Radius mit v * 0,5 vorgesehen ist.
6. Kurvenzug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Kurvenzuganfang und Kurvenzugende ein Abschnitt konstanter maximaler Krümmung angeordnet ist, wobei der Radius ein Minimum darstellt und dessen Mitte außerhalb der Mitte zwischen Kurvenzuganfang und Kurvenzugende angeordnet ist.
7. Kurvenzug nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet daß die von der Kreisbogenform verschiedenen Abschnitte von Klothoiden und/oder Cosinoiden gebildet sind.
8. Kurvenzug nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet daß bei einer spitz befahrenen Weiche die Stelle mit maximaler Krümmung näher zum Kurvenzugende angeordnet ist.
9. Kurvenzug nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet daß bei Scheitelklothoiden oder Cosinoiden, insbesondere bei Stumpfbefahrung die Stelle maximaler Krümmung näher dem Kurvenzuganfang angeordnet ist.
10. Gleisverbindung unter Verwendung von zwei zueinander entgegengesetzt angeordneten Weichen nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet daß die Kurvenzugenden mit einem aE zwischen 0 und 0,5 in einen geradlinigen Verbindungsabschnitt übergehen. 5 AT 404 743 B
11. Gleisverbindung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der geradlinige Abschnitt eine Länge von 5 bis 30 % der Gesamtlänge Lges eines Kurvenzuges aufweist. Hiezu 4 Blatt Zeichnungen 6