AT500703B1 - Neigevorrichtung für ein schienenfahrzeug - Google Patents

Description

2 AT 500 703 B1

Pendelzüge stellen eine Lösung für die Gewährleistung des Fahrkomforts bei Kurvenfahrten mit hohen Geschwindigkeiten dar. Die Geschwindigkeitserhöhung in der Kurve führt allerdings auch zu einer Zunahme der Reibungsbeanspruchung zwischen Rad und Schiene, wodurch meistens verhindert wird, dass alle Möglichkeiten zur Geschwindigkeitserhöhung durch das Pendelsys-5 tem ausgeschöpft werden können.

Die Wirkungsweise der bisher konstruierten Pendelzüge basiert auf der Erkennung und Identifizierung der Merkmale einer durchfahrenen Kurve in Echtzeit. Dazu verwenden die Züge Parameter, die in Bezug zum dynamischen Ansprechverhalten des Fahrzeugs stehen, z.B. Ge-io schwindigkeit und Beschleunigung, die von den im Zug angebrachten Sensoren gemessen werden. Wenn unter den Signalen, die durch Gleisstörungen erzeugt und von Bordsensoren (normalerweise Winkelgeschwindigkeits- und Beschleunigungsmesser) gemessen werden, ein Einlauf in einen Gleisbogen festgestellt wird, erfolgt eine Einwirkung auf die Pendelvorrichtungen, und damit wird eine Neigung des Fahrzeugs gegenüber dem Drehgestell über vorgegebe-15 ne Steuerungsstrategien erzeugt.

Diese Wirkungsweise bringt eine Reihe von Nachteilen mit sich, die im folgenden aufgezählt werden: 20 - Die Identifizierung der Kurve erfolgt definitionsgemäss mit Verzug. Es ist immer ein be stimmtes Zeitintervall erforderlich, bis das System feststellen kann, dass es sich in einer Kurve befindet. - Der Algorithmus der Fahrzeugneigung, den die derzeit eingesetzten Pendelsysteme erzeu-25 gen, ist unter dem Gesichtspunkt des Fahrkomforts für die Reisenden nicht optimal. - Die vorweggenommene Wirkung des Systems, soweit ein solches vorhanden ist, ist unabhängig von der Art der herannahenden Kurve. 30 In der DE 2 001 282 A, veröffentlicht am 23. Juli 1970, wird ein Schienenfahrzeug mit einer Neigevorrichtung beschrieben. Dabei handelt es sich um eine aktive Neigevorrichtung, bei der der Wagenkasten mittels Motoreinheiten, um seine Längsachse geschwenkt wird. Die Betätigung der Motoreinheit erfolgt durch Kommandos von einer Vorrichtung, beispielsweise einem Beschleunigungsmesser oder durch eine Trägheitssteuerung. 35

Aus der EP 0 557 893 A1, veröffentlicht am 1. September 1993, geht eine Neigevorrichtung hervor, bei der eine Anzahl von Detektoren (Beschleunigung, Fahrgeschwindigkeit, Winkelgeschwindigkeit,...) verwendet wird. Eine "intelligente" Steuereinheit betätigt in Abhängigkeit der Meßgrößen Servoventile, welche die hydraulisch betätigbaren Kolben-Zylinder-Einheiten zur 40 Ausführung der eigentlichen Wagenkastenneigung ansteuern.

Zusätzlich wird noch auf die US 4 440 093 A und die DE 19 61 553 B2 verwiesen.

In der DE 39 35 740 A1, veröffentlicht am 2. Mai 1991, wird eine Steuerung für einen neigungs-45 fähigen Wagenkasten eines spurgebundenen Fahrzeuges beschrieben, welche die Stellsignale aus einem Streckendaten-Speicher entnimmt. Zusätzlich kann mit einer Überwachungs- und Notsteuerungseinheit für den Einsatz der Züge auf nicht vorbereiteten Strecken Unabhängigkeit von gespeicherten Streckendaten und dem System der Streckensynchronisation erreicht werden. 50

Ein Führungssystem und Verfahren zur Steuerung der Querneigung an einem Schienenfahrzeug wird in der EP 0 647 553 A2, veröffentlicht am 12. April 1995 geoffenbart. Auch bei dieser Neigevorrichtung werden Streckendaten in einem Speicher abgelegt, diesem ersten Führungssystem wird jedoch zumindest ein zweites parallel zugeschaltet, welches z. B. ein an sich be-55 kanntes messendes ist. 3 AT 500 703 B1

Um diese Unannehmlichkeiten zu vermeiden, geht das hier als Erfindungsgegenstand vorgestellte System von der ständigen Vorkenntnis des Laulwegs aus und verwendet dafür eine Einrichtung (das sogenannte Positionsdetektorsystem SDP), das die Zugposition ständig mit einer Genauigkeit von wenigen Metern erkennt; es besteht aus einer intelligenten Steuereinheit, 5 die mit einem parametrisierten Befehlsalgorithmus programmiert wird, das man über die Anwendung eines konventionellen Programms der dynamischen Simulation des Kurvenverhaltens des Fahrzeugs erhält; in diesem Programm ist eine Berechnung der umgekehrten Dynamik vorhanden, wobei festgelegt wird, dass der dynamische Parameter die Seitenbeschleunigung des Reisenden im Fahrzeug nach einer vorgegebenen Funktion ist. 10

Figur 1 ist ein Blockdiagramm des erfindungsgemässen Systems.

Figur 2 ist eine schematische Darstellung einer praktischen Ausführung der Erfindung, bei der Drehgestellrahmen und Wagenkasten über eine Aufhängung gelenkig verbunden werden. 15

Figur 3 ist eine Schnittansicht einerweiteren praktischen Ausführung der Erfindung.

Figur 4 ist eine schematische Sicht des Pendelstellglieds aus Figur 3. 20 Figur 5 ist eine Koordinatendarstellung eines Beschleunigungsverlaufs (a), das vom System zu verwenden ist.

Im folgenden wird ein Beispiel einer praktischen Ausführung dieser Erfindung beschrieben, das nicht einschränkend verstanden werden darf. Andere Ausführungen sind keineswegs ausge-25 schlossen, wenn die zusätzlich eingeführten Änderungen den Kem des Systems nicht verfälschen. Diese Erfindung umfasst vielmehr alle ihre Varianten.

Dieses Pendelsystem besteht aus den folgenden Komponenten (Figur 1): 30 - Das Positionsdetektorsystem (1) (als SDP bezeichnet) bestimmt kontinuierlich die Ge schwindigkeit und die absolute Position des Fahrzeugs auf dem Gleis. - Die Pendelsteuereinheit (2) (UCB) erzeugt die Pendelanweisungen und steuert deren Ausführung in Echtzeit. 35 - Das Achsausrichtungssystem (3), das die Seitenbeanspruchungen zwischen Rad und Schiene an den zwei Achsen ein und desselben Drehgestells ausgleicht und ausserdem deren Maximalwert in der Kurve verringert. Auf diese Weise wird die Fahrzeuggeschwindigkeit in der Kurve gesteigert. 40 - Die Pendelstellglieder (4) führen den von der UCB erzeugten Pendelbefehl mechanisch aus. - Fahrzeug (6). 45 - Ein Speichermodul (5), in dem die Strecke in Streckenabschnitte unterteilt ist, die durch ihre

Parameter, wie z.B. absolute Position, Krümmungsradius, Länge jedes Kurvenabschnitts, Überhöhung, identifiziert sind.

Jede Kurve hat einen Einlauf-Übergangsbogen (cte), die eigentliche Kurve (c) und einen Aus-50 lauf-Übergangsbogen (cts) (Figur 5).

In dem Modul (5) werden die Kurvenabschnitte identifiziert, in denen das Pendelsystem aktiviert wird. 55 Die Funktionsweise des Pendelsystems ist wie folgt: Das Positionsdetektorsystem (1) meldet an 4 AT 500 703 B1 die Steuereinheit der Pendeleinrichtung (2) die absolute Istposition und die Betriebsgeschwindigkeit des Fahrzeugs. Die Steuereinheit (2) empfängt diese Information und fragt den Streckenspeicher (5) nach den Streckenparametern an diesem Punkt des Streckenverlaufs ab. Wenn diese Position mit einem Kurvenabschnitt zusammenfällt, in dem das Pendelsystem 5 aktiviert werden soll, wird ein Anweisungssignal (cur) für die Pendelstellglieder (4) und für das Achsausrichtungssystem (3) erzeugt, wobei einem Algorithmus gefolgt wird, der abhängig von der Betriebsgeschwindigkeit und den Merkmalen des Streckenverlaufs parametrisiert ist.

Dieser parametrisierte Algorithmus ist eine in folgender Weise standardisierte Funktion (cur) in io Abszissen und Ordinaten: cur = func-param (vcl, Lt, R, per, pos)

Dabei ist: cur - Funktionswerte func-param — Funktion der Parameter vel = Betriebsgeschwindigkeit des Fahrzeugs Lt = Länge des Übergangsbogens R = Krümmungsradius des Streckenverlaufs per = Kurvenüberhöhung pos = absolute Position, für die cur ermittelt wird.

Die Parametrisierung wird erreicht, indem z.B. Polynome oder harmonische Funktionen ver-25 wendet werden.

Der parametrisierte Algorithmus (func-param) ist für alle Kurven und jeden Fahrzeugtyp identisch. Um die Funktionswerte (cur) zu erhalten, genügt es, jeweils die Werte von vel, Lt, R, per und pos in die obige Formel einzusetzen. 30

Dieser parametrisierte Algorithmus bzw. dieser Algorithmus des Kurvenverhaltens des Fahrzeugs wird vom Benutzer als der am besten an den vom Fahrzeug zu durchfahrenden Streckenverlauf angepasste Algorithmus definiert und hängt von den dynamischen Fahrzeugmerkmalen, vom verwendeten Stellgliedtyp sowie vom physikalischen Standort ab und kann auf 35 traditionelle Weise über theoretische und praktische Analysemethoden gewonnen werden.

Ein Beispiel, wie man diesen parametrisierten Algorithmus in einem konkreten Fall erreicht, sei hier gegeben: Aufgrund des zu durchfahrenden Typs des Streckenverlaufs, der dynamischen Fahrzeugmerkmale, des Stellgliedtyps und dessen Lage im Fahrzeug erfolgt eine dynamische 40 Computersimulation des Kurvenverhaltens des Fahrzeugs.

Diese (traditionellen) Simulationsprogramme enthalten neben anderen nützlichen Funktionen ein Rechenpaket der umgekehrten Dynamik. Mit dieser Funktion ist es möglich, den Algorithmus (Funktionsalgorithmus) zu ermitteln, dem ein Befehlssignal eines Stellglieds folgen muss, 45 damit ein dynamischer Parameter des Fahrzeugs einem vorbestimmten Algorithmus folgt Das heisst, wenn das Ansprechverhalten auf das Problem von vornherein bekannt ist (der vorgegebene Algorithmus für einen dynamischen Fahrzeugparameter), muss man die Problemfrage erhalten können (Algorithmus des Stellglieds). Der erhaltene Algorithmus wird über eine herkömmliche Methode angepasst und parametrisiert, wie z.B. durch die Verwendung von Poly-50 nomen oder harmonischen Funktionen.

Bei diesem Pendelsystem ist der als Zielwert festgelegte, vorgegebene Algorithmus ein trapezförmiger Verlauf für die seitliche Beschleunigung (a), die der Reisende (Figur 5) erfährt. Die Form dieser Kurve ist zum Profil des Krümmungsverlaufs (l/R) proportional, und die Amplitude 55 der maximalen seitlichen Beschleunigung (a max) des Reisenden ist z.B. auf 0,65 m/s2 begrenzt. 5 AT 500 703 B1 cte ,= . Einlauf-Übergangsbogen c =. eigentliche Kurve cts = Auslauf-Übergangsbogen

Pa = absolute Position 5

Die Stellglieder (4) sind die Elemente, die das Pendeln erzeugen. Diese sind zwischen dem Drehgestellrahmen (8) und direkt oder indirekt dem Fahrzeugkasten (7) angebracht. Es kann sich um verschiedene Antriebstypen handeln, z.B. hydraulisch, elektromechanisch u.ä.. Um auf den Kasten (7) die gewünschte Pendelwirkung auszuüben, können verschiedene mechanische io Elemente zwischen dem Drehgestell und dem Kasten vorgesehen werden, die eine relative Drehung zwischen beiden sicherstellen. Ausserdem sind einige Drehgeber (9) eingebaut, welche die Steuereinheit UCB (2) rückkoppeln.

Im folgenden werden zwei praktische, keineswegs einschränkende Anwendungsbeispiele der 15 mechanischen Konfiguration eines Fahrzeugs mit Pendelsystem beschrieben: gelenkig verbundene Konfiguration und Konfiguration mit überhöhter Aufhängung.

Konfiguration 1: gelenkig verbunden (Figur 2). 20 Diese Konfiguration basiert auf der Anbringung eines gelenkig verbundenen Pendelquerbalkens (10) zwischen dem Drehgestellrahmen (8) und dem Kasten eines Schienenfahrzeugs durch eine Aufhängung, z.B. mittels der Pleuelstangen (11). Auf diesem pendelnden Querbalken (10) liegt die Basis der vertikalen Sekundäraufhängung auf, die ein herkömmlicher Federtyp oder pneumatisch sein kann. Die einzige relative Bewegung, die zwischen dem Drehgestellrahmen 25 und dem pendelnden Querbalken zulässig ist, ist die Drehung in Betriebsrichtung (Drehung um Längsachse).

Konfiguration 2: überhöhte Sekundäraufhängung (Figuren 3 und 4). 30 Eine weitere mögliche Konfiguration für die Pendeleinrichtung besteht im Anbringen von zwei Pendelstellgliedern (4) in einem herkömmlichen Drehgestell zwischen dem Drehgestellrahmen (81) und der Basis (b) der vertikalen Sekundäraufhängung (13). Die Aufgabe dieser Stellglieder (4) ist es, eine relative Verschiebung der Basis (b) der vertikalen Sekundäraufhängung gegenüber dem Drehgestellrahmen (81) zu erzeugen. 35

Im folgenden wird ein Anwendungsbeispiel dieser Lösung beschrieben. Hier sind zwei Hydraulikzylinder eingebaut, die mit einfacher Wirkung und als Dämpfer einerseits den schraubenförmigen Federn (15) der Sekundäraufhängung eines herkömmlichen Reisezugdrehgestells aufliegen. Der Zylinderkörper befindet sich im Innenraum der Feder. 40

Der Nachteil dieser Lösung besteht darin, dass der Zylinder (14) das Gewicht des Kastens (7) tragen muss, der sich auf ihm befindet.

In Figur 3 wird der Querschnitt eines herkömmlichen Drehgestells dargestellt, das mit einer 45 vertikalen Aufhängung des Federtyps ausgerüstet ist, aus welcher der Aufbau des Pendelzylinders erkenntlich wird, der auf dieser Konfiguration beruht.

Es ist ersichtlich, dass statt dem Verlauf der Seiten- und Winkelbeschleunigung der Verlauf der Geschwindigkeit oder der Bewegung (muss nur abgeleitet werden) des Fahrzeugs/Reisenden so vorbestimmt werden kann, oder bei der nicht kompensierten Beschleunigung die nicht durch die Schwerkraft ausgeglichene Seitenbeschleunigung, oder eine andere entsprechend Variable. 55

Claims (6)

1. 6 AT 500 703 B1 Patentansprüche: 1. Neigevorrichtung für den auf Drehgestellrahmen (8) gelagerten Wagenkasten (7) eines Schienenfahrzeuges (6), beinhaltend eine Speichereinheit (5) für die Speicherung der Pa- 5 rameter, der in einzelne Abschnitte unterteilten, vom Schienenfahrzeug (6) zu durchfah renden Strecke, wie Kurvenradius, Kurvenlänge, Kurvenüberhöhung und absoluter Position, ein Lagedetektorsystem (1) für die kontinuierliche Erfassung der Fahrzeugparameter, nämlich der Geschwindigkeit und der IST-Position des Schienenfahrzeuges (6), eine zur Bestimmung eines oder mehrerer Steuersignale ausgebildete Steuereinheit (2), welche von io der in der Speichereinheit (5) gespeicherten Information und den im Lagedetektorsystem (1) erfassten Fahrzeugparametern beeinflusst ist und die erforderliche Neigung des Schienenfahrzeuges (6) ermittelt, und eine zwischen dem Drehgestellrahmen (8) und dem Wagenkasten (7) angeordneten, die Neigungsverstellung bewirkenden Betätigungseinrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Bestimmung der Steuersignale eine an sich 15 bekannte inverse dynamische Ermittlung, basierend auf der Ermittlung der erforderlichen Neigung des Schienenfahrzeuges (6) benutzt wird, und die erwähnten Steuersignale der die Neigung bewirkenden Betätigungseinrichtung angewendet werden, um eine Neigung des Schienenfahrzeuges (6) derart zu bewirken, dass die seitliche Beschleunigung eines Fahrgastes im Schienenfahrzeug einem vorbestimmten Profil entspricht. 20
2. 2. Neigevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (2) zusätzlich von Meßeinrichtungen (9) für die relative Drehung zwischen dem Wagenkasten (7) und dem Drehgestellrahmen (8) beeinflußt ist.
3. 3. Neigevorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein das Ungleich gewicht der seitlichen Beanspruchung zwischen Rad und Schiene verringerndes Achsaus-richtungssystem (3) vorgesehen ist, welches von der Steuereinheit gesteuert ist.
4. 4. Neigevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Wagen-30 kästen (7) und dem Drehgestellrahmen (8) ein pendelnder Querbalken (10) vorgesehen ist, der über eine Aufhängung gelenkig mit dem Drehgestell verbunden ist, und daß die Stellglieder (4) zwischen dem Drehgestellrahmen (8) und dem pendelnden Querbalken (10) wirken.
5. 5. Neigevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellglieder (4) zwi schen dem Drehgestellrahmen (8) und einer vertikalen Sekundäraufhängung (13) angeordnet sind.
6. 6. Neigevorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Stellglied (4) einen 40 hydraulischen Dämpfungszylinder (14) aufweist, der an seinem Ende an einer Feder (15) der Sekundäraufhängung (13) aufliegt. Hiezu 2 Blatt Zeichnungen 45 50 55