DE19540089A1

DE19540089A1 - Verfahren zur Führung von Fahrzeugen nach dem Null-Ebenen-Konzept

Info

Publication number: DE19540089A1
Application number: DE19540089A
Authority: DE
Inventors: Fritz Prof Dr Ing Frederich
Original assignee: Linke Hofmann Busch GmbH
Current assignee: Alstom Transport Deutschland GmbH
Priority date: 1995-10-27
Filing date: 1995-10-27
Publication date: 1997-04-30
Also published as: EP0770533B1; ES2148657T3; DE59605232D1; PT770533E; EP0770533A1; ATE192985T1; DK0770533T3

Description

Gattung: Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur sicheren und verschleißarmen Führung von Fahrzeugen auf einem vorgegebenen Kurs, insbesondere von Schienenfahrzeugen bzw. deren Fahrwerken im Spurkanal des Gleises. Das vorgesehene Verfahren soll einerseits die sichere Spurführung gewährleisten. Es ermöglicht, auf konventionellen Zweischienen-Gleisen der Eisenbahnen allerhöchste Fahrgeschwindigkeiten mit geringstem Risiko für eine Entgleisung zu erreichen. Dasselbe Verfahren gestattet außerdem, engste Gleisbögen entgleisungssicher zu befahren. Andererseits sollte der Verschleiß von Schienen und Räder sowohl beim Schnellfahren auf geraden Strecken als auch beim Befahren enger Gleis bögen soweit wie irgend möglich reduziert werden.

Beide Ziele werden erreicht, wenn die Räder der Fahrwerke auf den Schienen ideal abrollen. Dies setzt voraus, daß sie in allen Situatio nen weder mit dem Spurkranz die Fahrschiene berühren noch in irgend einer Weise schräg zur Schiene rollen.

Wenn die genannten Bedingungen (kein Spurkranzanlauf, kein Schräglauf) erfüllt sind, ist zu erwarten, daß derartige Räder nicht nur sicher und verschleißarm sondern auch leise auf den Schienen rollen.

Stand: Es ist bekannt, daß (fast) alle Schienenfahrzeuge der Welt mit Rad sätzen ausgerüstet sind. Radsätze bestehen aus der drehbaren Radsatz welle und zwei fest mit dieser verbundenen Rädern mit kegeligen Rad profilen. Derartige Radsätze haben die natürliche Eigenschaft bei einem seitlichen Versatz des Radsatzes aus der Gleismitte selbsttä tig zu wenden, d. h. eine Schwenk- bzw. Wendebewegung um die Hochachse auszuführen. Damit sind sie in der Lage sowohl dauernden einseitigen Spurkranzanlauf eines Rades im geraden Gleis ohne äußere Unterstützung zu verhindern als auch die für Bogenfahrten notwendigen Wendebewegun gen zwecks radialer Einstellung der Radsatzachse auf den Mittelpunkt des Gleisbogens ohne äußere Lenkhilfe von selbst auszuführen. Dieser natürliche Vorteil des Spurführungsprinzips Radsatz ist gleichzeitig sein größter Nachteil.

Kritik: Die Fähigkeit des Radsatzes, selbsttätig zu wenden, führt dazu, daß ein Radsatz, der im geraden Gleis einmal zu einer Wendebewegung ver anlaßt wurde, im dauernden Wechsel unkontrollierte Wendebewegungen vollführt. Er bewegt sich dabei auf einer Wellenbahn (Sinuslauf) durch den Spurkanal des Gleises. Unerwünschter Schräglauf und ständi ger Wechsel von Antriebs- und Bremskräften in den Radaufstandspunkten der Räder sind die Ursache. Unruhiger Fahrzeuglauf, Verschleiß an Rädern und Schienen und Rollgeräusche folgen daraus. Schon bei gerin gen Fahrzeuggeschwindigkeiten werden die Radsatzbewegungen so groß, daß harte Spurkranzanläufe unvermeidbar sind, die bei etwas höheren Fahrgeschwindigkeiten bereits zum Entgleisen führen können.

Die genannten, schwerwiegenden Nachteile des Radsatzes treten beim Radpaar nicht auf. Radpaare sind parallel nebeneinander angeordnete Räder, die sich unabhängig voneinander drehen können.

Radpaare haben keinen Wellenlauf. Dies macht sie für allerhöchste Fahrgeschwindigkeiten bestens geeignet.

Einzelne Radpaare sind andererseits aber nicht selbstwendefähig. Des halb sind sie für Bogenfahrten ungeeignet.

Die beiden Spurführungsprinzipe Radsatz und Radpaar sind in reiner Form für die Spurführung von Schienenfahrzeugen im Gleis unbrauchbar. Mit dem Radsatz kann nicht schnell gefahren werden; Radpaare fahren nicht durch Gleisbögen.

Um diesen Mängeln abzuhelfen, wird der Zwang des Radsatzes zum dauern den Wellenlauf durch längs und quer angeordnete Federn und Dämpfer zwischen Fahrzeug bzw. Fahrwerk und Radsatz unterdrückt. Die Wirkung beruht darauf, daß über die Federn und Dämpfer "von außen" zusätzliche Kräfte in den Radsatz eingeleitet werden, die den Radsatzlauf stabi lisieren. Es wird versucht, die in der Null-Ebene der Rad/Schiene- Ebene zwangsläufig entstehenden Kräfte "eine Etage höher" in der Eins- Ebene der Radsatzlager und Radmitten zumindest teilweise zu kompensie ren. Je größer die Fahrgeschwindigkeit wird, desto größer müssen die notwendigen Kräfte sein.

Dieselben Kräfte wirken an den fahrzeugseitigen Enden der Federn und Dämpfer quasi rückwärts auf die Massen des Fahrzeugs bzw. der Fahr werke und müssen von letzteren aufgenommen werden. Dies führt zu Beschleunigungen der betreffenden Massen und zu u. U. erheblichen Be wegungen. Damit verschlechtert sich der Fahrkomfort.

Möglichen Verbesserungen des Spurführungsverhaltens im geraden Gleis stehen unvermeidlich Verschlechterungen des Fahrkomforts gegenüber. Heutige Fahrwerke von Schienenfahrzeugen mit Radsätzen sind Kompro mißlösungen. Die Auslegung und Dimensionierung der Radsatzfahrzeuge bewegt sich auf einem äußerst schmalen Grat zwischen geringeren Schwin gungen und größerem Verschleiß.

Ähnliche Effekte gibt es bei Radpaaren. Während die Spurführung im geraden Gleis absolut unproblematisch ist, sind die Schwierigkeiten bei der Bogenfahrt von Radpaaren vergleichbar mit denen des Radsatzes beim Geradeauslauf.

Die fehlende Wendefähigkeit des Radpaares muß durch entsprechende Wendemomente in der Eins-Ebene der Radsatzlager von außen aufgeprägt werden. Die Reaktionsmomente der Wendemomente finden sich an Massen des Wagenkastens bzw. der Fahrwerke wieder und verschlechtern dort den Fahrkomfort.

Auch hier stehen möglichen Verbesserungen des Spurführungsverhaltens im Gleisbogen unvermeidliche Verschlechterungen des Fahrkomforts gegen über.

Aufgabe: Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die notwendige Stabilisie rung des Radsatzes im geraden Gleis und die notwendigen Lenkmomente des Radpaares für die Bogenfahrt so zu erzeugen, daß Fahrkomfort und Verschleiß nicht negativ beeinflußt werden wie bisher.

Lösung: Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die unkontrol lierten Wendebewegungen von Radsätzen durch geregelte Lenkmomente stabilisiert und die nicht vorhandenen Wendebewegungen von Radpaaren durch gesteuerte oder gezielt eingestellte Lenkmomente ersetzt wer den.

Die notwendigen Lenkmomente werden dabei nicht wie bisher in der Eins- Ebene der Radsatzlager bzw. Radmitten aufgebracht, sondern in der Null- Ebene d. h. in den Radaufstandspunkten direkt erzeugt.

Ein Lenkmoment läßt sich als Kräftepaar darstellen. Es entsteht durch zwei gleich große entgegengesetzt gerichtete parallele Kräfte. Diese Definition ist der Schlüssel zum Erfolg.

Längskräfte in den Rad/Schiene-Berührpunkten der beiden Räder eines Radsatzes oder Radpaares sind immer parallel. Exakt gleiche Größe der Kräfte und entgegengesetzte Richtungen lassen sich durch ein Drehmo ment am einen Rad und dessen notwendig gleich großes aber entgegerich tetes Reaktionsmoment am gegenüberliegenden Rad erwirken.

Beim neuen vorgeschlagenen Spurführungsverfahren nach dem Null-Ebenen- Konzept werden den Rädern synchron Antriebs- und Bremsmomente gleicher Größe aufgeprägt. Die in den Rad/Schiene-Berührpunkten (der Null- Ebene) entstehenden antreibenden und bremsenden Längskraftschlußkräf te erzeugen das gewünschte Lenkmoment, welches die Spurführungsein heit Radsatz oder Radpaar unterstützend im Spurkanal des Gleises führt.

Die gleichzeitig an zwei Rädern aufgebrachten Drehmomente gleicher Größe sind das besondere des vorgeschlagenen Verfahrens. In diesem Punkt unterscheidet es sich wesentlich von anderen bekanntgewordenen Vorschlägen. Das Null-Ebenen-Konzept mit synchroner antidirektionaler Drehmomentaufprägung ist für antriebslose, angetriebene und gebremste Spurführungseinheiten anwendbar.

Vorteil: Die mit der Erfindung erzielbaren Fortschritte bestehen insbesondere darin, daß die Stellkräfte für die Lenkmomente, welche die Spurführung unterstützen, direkt in den Radaufstandspunkten der Rad/Schiene-Be rührungen erzeugt werden. Das führt dazu, daß unerwünschtem Schräg lauf mit allen daraus sich ergebenden Folgen wie großer Querschlupf, Querversatz im Gleis, Quer- und Längsschlupf zwischen Rädern und Schienen und daraus resultierenden Geräuschen schon im Ansatz entge gengewirkt wird. An die Stelle des bisherigen Bekämpfung von Symptomen tritt die Beseitigung von deren Ursachen.

Vom Vorteil ist außerdem, daß die zur Spurführung an den Rädern er forderlichen Drehmomente bei entsprechender technischer Ausgestaltung verschleißarm erzeugt werden können. Entsprechende Ausführungsbei spiele sind beschrieben.

Ferner ist die Spurführung nach dem beschriebenen Null-Ebenen-Konzept frei von Rückwirkungen zwischen Fahrwerk und Fahrzeug. Hieraus re sultiert eine wesentliche Verbesserung des Fahrkomforts.

Beispiele: Das der Erfindung zugrundeliegende Verfahren und mögliche technische Ausführungen, mit denen das Verfahren realisierbar ist, sind in den folgenden Beispielen näher beschrieben.

Fig. 1 zeigt das Prinzip des Verfahrens in schematischer Darstellung. Zu sehen sind die beiden Räder 1 und 2 eines Fahrzeugs oder Fahr werks. Die zwischen den Rädern 1 und 2 liegende Mitte 3 des Fahr werks soll über den vorgegebenen Kurs 4 geführt werden. Zu diesem Zweck werden den Rädern 1 und 2 die gleichgroßen, aber entgegenge richteten Drehmomente +M 5 und -M 6 aufgeprägt. Sie erzeugen in den Radaufstandspunkten die Längskraftschlußkräfte +F_x 7 und -F_x 8. Über den Abstand 9 der Radaufstandspunkte voneinander entsteht das zum Lenken notwendige Lenkmoment F_x · a, welches das Fahrwerk um seine Hoch achse 10 wendet und es entlang des vorgegebenen Kurses 4 führt.

In Fig. 2 sind das Fahrwerk mit den beiden Rädern 1 und 2, die Fahr werksmitte 3 und der vorgegebene Kurs 4 in der Draufsicht (von oben) dargestellt. Die gleichgroßen, entgegengerichteten Drehmomente werden von zwei getrennten Drehmomenterzeugern (Motoren) 11 direkt auf die Räder 1 und 2 übertragen. Die notwendige Gleichheit der Drehmomente erfordert besondere Stell- oder Regeleinrichtungen, die im Bild nicht dargestellt sind. Diese Zusatzeinrichtungen müssen sehr genau arbeiten. Sie sind aufwendig und teuer.

In Fig. 3 sind wiederum das Fahrwerk mit den beiden Rädern 1 und 2 und der vorgegebene Kurs 4 zu sehen. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Gleichheit der entgegengesetzten Drehmomente auf sehr ein fache Weise dadurch erreicht, daß die beiden Reaktionsteile des Dreh momenterzeugers (Motors), nämlich der "Stator" 12 und der Rotor 13 direkt oder indirekt mit den Rädern 1 und 2 gekoppelt sind und ro tieren. Wegen actio = reactio sind die in den Motorteilen 12 und 13 entstehenden Drehmomente per princip gleich groß und entgegengerichtet. Es bedarf keiner zusätzlichen Regel- oder Stelleinrichtungen, welche die geforderte Gleichheit der Momente erzeugen müßten.

Fig. 4 zeigt das Prinzip einer Ausführung, bei der die erforderlichen Antriebs- und Bremsmomente an den Rädern 1 und 2 durch ein mechanisches überlagerungsgetriebe erzeugt werden. Das Überlagerungsgetriebe be steht im Prinzip aus zwei in Reihe geschalteten Planetengetrieben.

Der Planetenträger 14 ist direkt oder indirekt mit dem Rad 1 ge kuppelt. Die Planetenräder 15 stehen mit dem Hohlrad 16 und dem Son nenrad 17 im Eingriff. Die Sonnenräder 17 und 19 der beiden Planeten getriebe sind fest mit der gemeinsamen Sonnenradrolle 18 verbunden. Auf dem Sonnenrad 19 kämmen die Planetenräder 20, die ihrerseits in das Hohlrad 21 eingreifen. Der Planetenträger 22 ist direkt oder in direkt mit dem Rad 2 verbunden.

Während das Hohlrad 16 feststeht ist das Hohlrad 21 drehbar gelagert und von einem nicht dargestellten Stellantrieb z. B. über einen Schneckentrieb 23 in beiden Drehrichtungen zu bewegen. Beim Still stand des Stellantriebes ist das Hohlrad 21 blockiert.

Bei stehendem Hohlrad 21, also nicht arbeitendem Stellantrieb, funk tioniert die beschriebene Anordnung wie eine starre Welle. Die beiden Räder 1 und 2 sind über die Planetengetriebe fest miteinander ge koppelt; sie haben dieselbe Drehzahl und übertragen dasselbe Dreh moment. Die Restmomente, die sich bei Wandlung der Drehmomente in den beiden Planetengetrieben ergeben, stützen sich über die beiden feststehenden Hohlräder 16 und 21 an den Getriebegehäusen ab.

Wenn die Drehmomentabstützung am Hohlrad 21 über den Schneckentrieb 23 durch den Stellantrieb verändert wird, sorgen die Planetenräder 20 dafür, daß die Änderung zu gleichen Teilen auf die Räder 1 und 2 aufgeteilt wird. Einer Verringerung des Drehmomentes am Rad 2 ent spricht eine gleich große Veränderung des Drehmomentes am Rad 1 und umgekehrt.

Fig. 5 zeigt das Prinzip einer Ausführung, bei der das bereits be schriebene Überlagerungsgetriebe zwischen den Rädern 1 und 2 auch als Traktionsgetriebe fungiert.

Zu diesem Zweck ist beispielhaft die gemeinsame Sonnenradwelle 18 mit einem zusätzlichen Zahnradtrieb 24 versehen, über welchen der Trak tionsmotor 25 die Traktionsleistung einspeist. Bei stehendem Schnecken trieb 23 rotieren die Räder 1 und 2 mit gleicher Drehzahl. Die Dreh momente an den Rädern 1 und 2 stellen sich entsprechend den in den Radaufstandspunkten der Räder 1 und 2 übertragbaren Radumfangskräf ten ein.

Mit dem Stellantrieb, der über die Schneckenwelle 23 auf das Getriebe einwirkt, ist es möglich, die Drehmomente an den Rädern 1 und 2 wie beschrieben durch Überlagerung zu beeinflussen.

Eine u. U. besonders zweckmäßige Anordnung ist in Fig. 6 wiedergege ben.

Neben dem Traktionsmotor 25 ist ein zweiter Traktionsantrieb 26 vor handen, der dasselbe Tellerrad 24 des Zahnradtriebs benutzt. Damit treiben die beiden Antriebe 25 und 26 in der obenbeschriebenen Weise die Räder 1 und 2 an.

Ebenso ist das Planetengetriebe des Rades 1 mit einem zweiten Schnecken trieb 27 ausgestattet, welcher von einem nicht dargestellten zweiten Stellmotor beaufschlagt wird. Auch mit dem Schneckentrieb 27 läßt sich die Aufteilung der Drehmomente auf die Räder 1 und 2 unabhängig von der Funktion der Traktionsantriebe 25 und 26 und des Schnecken triebes 23 beliebig beeinflussen.

In Fig. 7 ist eine andere Ausführung schematisch dargestellt. Bei dieser Variante liegen die beiden Planetengetriebe mit den Stellantrieben 23 und 27 außerhalb der Räder 1 und 2.

Bezugszeichenliste

1 Rad (links)
2 Rad (rechts)
3 Mitte Fahrwerk
4 vorgegebener Kurs
5 Drehmoment +M (links)
6 Drehmoment -M (rechts)
7 Längskraftschlußkraft +F_x (links)
8 Längskraftschlußkraft F_x (rechts)
9 Abstand Radaufstandspunkte
10 Hochachse Fahrwerk
11 Drehmomenterzeuger (Motoren)
12 "Stator"
13 Rotor
14 Planetenträger (links)
15 Planetenrad (links)
16 Hohlrad (links)
17 Sonnenrad (links)
18 sonnenradwelle
19 Sonnenrad (rechts)
20 Planetenrad (rechts)
21 Hohlrad (rechts)
22 Planetenträger (rechts)
23 Schneckentrieb (rechts)
24 Zahnradtrieb
25 Traktionsmotor
26 Traktionsantrieb
27 Schneckentrieb (links)

Claims

1. Verfahren zur sicheren und verschleißarmen Führung von Fahrzeugen entlang eines vorgegebenen Kurses, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Einhaltung des Kurses erforderlichen Lenkbewegungen durch An triebs- und Bremsdrehmomente gleicher Größe aber entgegengesetzter Richtung erzeugt werden, die zwei nebeneinander angeordneten Rädern eines Fahrzeugs oder Fahrwerks gleichzeitig aufgeprägt werden und dadurch in den Radaufstandspunkten gleich große aber entgegenge richtete Antriebs- bzw. Bremskräfte entstehen lassen, welche die zum Lenken notwendigen Lenkmomente ergeben.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die entge gengerichteten Drehmomente gleicher Größe durch separate Drehmo menterzeuger realisiert werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die entge gengerichteten Drehmomente von den beiden Reaktionsteilen, dem "Stator" und dem Rotor, eines Motors abgenommen werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die entge gengerichteten Drehmomente mechanisch mit Hilfe eines Überlagerungs getriebes und dessen verstellbaren Stellantrieb aufgebracht wer den.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die entge gengerichteten Drehmomente mechanisch mit Hilfe eines Überlagerungs getriebes aufgebracht werden, welches gleichzeitig die Traktions leistung überträgt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl der Stellantrieb als auch der Traktionsantrieb zum Zwecke der Redundanz doppelt vorhanden sind.