DE1961553C3

DE1961553C3 - Device for reducing the effect of transverse forces on people or objects in a vehicle, in particular a rail vehicle

Info

Publication number: DE1961553C3
Application number: DE19691961553
Authority: DE
Inventors: Rolf Dieter Dipl.-Ing. 6450 Hanau; Schüler Gerhard Dipl.-Ing. 6078 Neu-Isenburg Pfeiffer
Original assignee: Honeywell GmbH
Current assignee: Honeywell GmbH
Filing date: 1969-12-09
Publication date: 1976-05-20

Description

Einrichtung dieser Art dient als Fühler ein in Quer- gung in einen bereits durch die Kurvenüberhöhung richtung wirksames Fliehkraftpendel, dessen Kon- ausgeglichenen und deshalb nach unten gerichteten taktzunge in der Ruhelage zwischen zwei gestellfesten 50 Teil bk, den Bereich der zulässigen Restquerbeschleuni-Kontakten liegt und beim Auftreten einer Fliehkraft gung b_t und den durch Kippen des Wagenkastens ausin der einen Richtung einen elektrischen Kontakt zuglcichenden Anteil b_k jeweils über der Streckenschließt. Hierdurch wird ein Stromkreis für die Ein- abwicklung s der Kurve aufgetragen, schaltung eines pneumatischen oder hydraulischen Da sowohl in der Fliehkraft F als auch im Ge-A device of this type serves as a sensor a crosswise in a centrifugal pendulum already effective due to the curve superelevation, whose con-balanced and therefore downwardly directed clock tongue lies in the rest position between two frame-fixed 50 parts bk, the area of the permissible residual transverse acceleration contacts and when a centrifugal force occurs, b _t and the part b _{k that} makes electrical contact in one direction due to tilting of the car body closes in each case over the route. In this way, a circuit for the input s handling of the curve plotted, a pneumatic or hydraulic circuit, since both the centrifugal force F as well as in overall

Kippantriebes an der einen Wagenseile geschlossen, 55 wicht G jeweils die Masse m als Proportionalitätswodurch der Wagenkasten bis zu einem bestimmten faktor auftritt, sind in Fig. Ic und 1 d nur die entBetrag um seine Längsachse gekippt wird. sprechenden Beschleunigungen aufgetragen.The tilting drive is closed on one of the car ropes, 55 weight G in each case is the mass m as proportionality, which means that the car body occurs up to a certain factor, only the amount is tilted about its longitudinal axis in FIGS. 1c and 1d. speaking accelerations applied.

Mit dem Wagenkasten werden zugleich die Fest- Eine Kurve in einer Eisenbahnstrecke besteht ausA curve in a railway line consists of

kontakte gegenüber dem Fahrgestell gekippt. Bei zwei Übergangsbogen A und dem eigentlichen Gleis-Kurvenfahrt mit entgegengesetzter Kurvenrichtung 60 bogen B (F 1 g. 1 a). Beim Einlauf in die Kurve steigt tritt der gegenüberliegende Festkontakt in Funktion. auf dem ersten Übergangsbogen die Fliehbeschleuni-contacts tilted in relation to the chassis. With two transition bends A and the actual track cornering with opposite curve direction 60 bend B (F 1 g. 1 a). When entering the curve, the opposite fixed contact comes into operation. on the first transition curve the centrifugal

Nachteilig bei dieser Anordnung ist, daß das Pendel gung bn zunächst bis zum Beginn des Gleisbogens B auch auf relativ kurz und häufig auftretende Quer- an, bei dessen Durchfahrt die Fliehbeschleunigung bei kräfte anspricht, welche beispielsweise bei Über- gleichbleibender Fahrgeschwindigkeit einen konstanfahren von Weichen auftreten oder durch Schlinger- 65 ten Wert beibehält. Am Ende des Gleisbogens B bewegungen bedingt sind. Außerdem bleibt der Wagen, folgt der zweite Übergangsbogen A, auf dem die falls er in der Kurve anhält, unter Umständen in der Fliehbeschleunigung bR wieder bis auf den Wert Null eeneieten Lage stehen, wenn nämlich die Neigung abnimmt (F i g. 1 c).The disadvantage of this arrangement is that the pendulum movement bn initially up to the beginning of the curve B also on relatively short and frequent transverse movements, during which the centrifugal acceleration responds to forces that occur, for example, when the travel speed remains constant or maintains its value through rolling. At the end of the curved track B movements are conditional. In addition, the carriage remains, if it follows the second transition curve A, on which, if it stops in the curve, the centrifugal acceleration bR may again be in a position down to the value zero, namely when the inclination decreases (Fig. 1c) .

Durch die Fahrbahn- bzw. Gleisüberhöhung in der Kur.« wird ein bestimmter Betrag b_h der gesamten fjjehbeschleunigung b_R bereits ausgtglichen. Dieser Uetrag ist in Fig. Id deshalb mit negativem Vorziehen über der Ordinate s aufgetragen. Die dann noch verbleibende Querbeschleunigung b_q entsprechend der ausgezogenen Kurve ir. F i g. 1 d soll durch Rippen des Wagenkastens WK beseitigt werden. pieser Ausgleich braucht jedoch nicht vollständig zu Kjin, weil eine geringe restliche Querbeschleun.gung b_z Mem Fahrgast zugemutet werden kann. Somit hat die fbegelung dafür zu sorgen, daß die Querbeschleuni- «Ong nie größer wird als der vorgegebene Wert b_z, 'welcher in F i g. Id als strichpunktierte Linie eingetragen ist. ^ Zur Veranschaulichung der Kräfte, welchen eine jiasse m im Schwerpunkt S des Wagenkastens unterworfen ist, soll F i g. 2 dienen. Der Wagen durch-Jghrt eine Kurve mit dem Spurradius R, d. h. dem in <jie Horizontalebene HE projizierten Radius der Krümmung des Gleisbogens B, von beispielsweise /{= 15ßO m. Der Schwerpunkt 5 liegt um den Betrag H über der Horizontalebene HE. Die Fliehkraft verläuft parallel zur Horizontalebene HE, demzufolge auch die Fliehbeschleunigung b_R. Die Schwer- »5 punkthöhe liegt in der G rößenordnung von // = 2 m, d. h., es gilt A certain amount b _{h of} the total fjjjehpfehigung b _{R is} already compensated by the lane or track elevation in the cure. This amount is therefore plotted against the ordinate s in Fig. 1d with negative preference. The then remaining transverse acceleration b _q according to the solid curve ir. F i g. 1 d is to be eliminated by ripping the car body WK. However, this compensation does not need to be fully Kjin, because a small residual transverse acceleration b _z Mem can be expected of the passenger. The control system therefore has to ensure that the transverse acceleration never becomes greater than the specified value b _z , which is shown in FIG. Id is entered as a dash-dotted line. ^ To illustrate the forces to which a jiasse m is subjected in the center of gravity S of the car body, F i g. 2 serve. The car traverses a curve with the track radius R, ie the radius of the curvature of the curved track B projected in the horizontal plane HE , for example / {= 150 m. The center of gravity 5 lies by the amount H above the horizontal plane HE. The centrifugal force runs parallel to the horizontal plane HE, consequently also the centrifugal acceleration b _R. The center of gravity is »5 in the order of magnitude of // = 2 m, ie it applies

Angestrebt wird, dio Querkraft Q zum Verschwinden zu bringen, d.h. Q = O oderThe aim is to make the transverse force Q disappear, ie Q = O or

F ■ cos γ = G · sin γ F ■ cos γ = G · sin γ

(VI)(VI)

Setzt man hier die bekannte Beziehung für die FliehkraftIf one sets the known relationship for the centrifugal force here

F = mF = m

(ViD(ViD

worin m die Masse und ν die Fahrgeschwindigkeit ist, sowie für das Gewicht, dessen Definitionwhere m is the mass and ν is the driving speed, as well as the definition of the weight

G ~ m · g G ~ m · g

(VIII)(VIII)

(g = Erdbeschleunigung) ein, so erhält man für den querkraftfreien Zustand Q = 0 für die Zwischenregelgröße γ die Beziehung (g = acceleration due to gravity), the relationship is obtained for the transverse force-free state Q = 0 for the intermediate controlled variable γ

(IX)(IX)

1500'1500 '

Ig ■> * Λ = 0,08.Ig ■> * Λ = 0.08.

(D(D

tg _r = — = —__tg _r = - = —__

bzw. für die Querbeschleunigung b_q den Wert
b_q = ~ ■ cos γ - g ■ sin 7
= b_R ■ cos γ - g · sin y.or the value for the transverse acceleration b _q
b _q = ~ ■ cos γ - g ■ sin 7
= b _R ■ cos γ - g · sin y.

(X)(X)

Auf den Massenpunkt wirkt außer der Fliehkraft F noch das Gewicht G senkrecht zur Horizontalebene HE. In addition to the centrifugal force F , the weight G acts on the mass point perpendicular to the horizontal plane HE.

Die Gleise! GL sind um den Betrag h überhöht, so daß sie gegenüber der Horizontalebene HE um den Winkel % geneigt sind. Bezogen auf die Spurweite w, gilt die BeziehungThe rails! GL are excessive by the amount h , so that they are inclined by the angle % with respect to the horizontal plane HE. In relation to the track width w, the relationship applies

3535

4040

sin a =sin a =

(11)(11)

Vereinfachend wird hier angenommen, daß das Fahrgestell FC mit seiner Ebene parallel zu den Gleisen liegt. Der Wagenkasten WK ist gegenüber dem Fahrgestell FG um den Winkel β geneigt. Hierzu ist, bezogen auf F i g. 2, die rechte Kante des Wagenkastens WK gegenüber der linken um den Betrag k angehoben, was sich durch geeignete hydraulische oder pneumatische Stellzylinder erreichen läßt. Der Wagenkasten WK ist somit mit seinem Boden WB gegenüber der Horizontalebene HE insgesamt um den Querneigungswinkel γ geneigt, d. h.For the sake of simplicity, it is assumed here that the chassis FC lies with its plane parallel to the tracks. The car body WK is inclined relative to the chassis FG by the angle β. For this purpose, based on FIG. 2, the right edge of the car body WK is raised by the amount k compared to the left, which can be achieved by means of suitable hydraulic or pneumatic actuating cylinders. The car body WK is thus inclined with its bottom WB relative to the horizontal plane HE overall by the transverse inclination angle γ , ie

Y = <x + ß. (III) Y = <x + ß. (III)

Zerlegt man nunmehr sowohl die Fliehkraft F als auch das Gewicht G jeweils in eine parallel zum Wagenboden WB verlaufende und in eine senkrecht auf den Wagenboden gerichtete Komponente, so erhält man für die gesamte Bodenbelastung L den WertIf both the centrifugal force F and the weight G are now broken down into a component running parallel to the car floor WB and a component directed perpendicular to the car floor, the value for the total floor load L is obtained

L = G- cos γ τ F · sin γ L = G- cos γ τ F · sin γ

(IV)(IV)

und für die resultierende: Querkraft Q den Wertand for the resulting: lateral force Q the value

Q = F · cos ·/ - G · sin γ. (V) Q = F · cos · / - G · sin γ. (V)

65 Rechnet man mit einer maximalen Zuggeschwindigkeit in der Kurve von 160 km/h und einem minimalen Spurradius von 1210 m, so ergibt sich en. Gesamtqueriieigungswinkel γ — 9,4°. Bei einer Gleisüberhöhung h = 150 mm und einer Spurweiten» von 1500 mm ergibt sich für den Gleisneigungswinkel ein Wert von α = 5,7°. Somit braucht der Wagenkasten gegenüber dem Fahrgestell nur um 3,7° geneigt zu werden, um die Fahrgäste völlig querbeschleunigungsfrei durch die Kurve zu fahren. Es zeigt sich nebenbei auch, daß der Gleisneigungswinkel α und der Gesamtneigungswinkel γ wesentlich größer sind als der Winkel O.65 If one calculates with a maximum train speed in the curve of 160 km / h and a minimum track radius of 1210 m, the result is en. Total transverse angle γ - 9.4 °. With a track superelevation h = 150 mm and a track width »of 1500 mm, the angle of inclination of the track is α = 5.7 °. This means that the car body only needs to be inclined by 3.7 ° in relation to the chassis in order to drive the passengers through the curve without any lateral acceleration. It also shows that the track inclination angle α and the total inclination angle γ are significantly larger than the angle O.

An Hand von F i g. 3 soll nunmehr der Aufbau und die Wirkungsweise einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung erläutert werden: Der den verschiedenen Kräften und Neigungswinkeln ausgesetzte Wagenkasten WK ist mit seinem Stellantrieb im rechten Teil f'cr F i g. 3 in Form eines Funktionsschaltbildes dargestellt und punktiert umrandet, während der linke Teil gestrichelt umrandet den Regelkreis RG wiedergibt. Zunächst soll von beiden Teilen jeweils nur der unterhalb der strichpunktierten Linie Z befindliche Teil betrachtet werden. Wie man sieht, besteht der Regelkreis RG aus einem Beschleunigungsfühler 1, dessen Ausgangssignal über ein Tiefpaßfilter 2 dem einen Eingang des Reglers 3 zugeführt wird, dessen Ausgangssignal den Stellantrieb 4 zum Kippen des Wagenkastens WK steuert. Der Beschleunigungsfühler 1 ist der Querbeschleunigung b_q ausgesetzt, und der Stellantrieb 4 bestimmt den Kippwinkel β des Wagenkastens. Der Wagenkasten WK ist ferner der Gleisüberhöhung α sowie der Fliehbeschleunigung bR ausgesetzt. Seine gesamte Querneigung γ entspricht der Summe aus Gleisüberhöhung α und Kippneigung ß, was durch denWith reference to FIG. 3 the structure and the mode of operation of a preferred embodiment of the device according to the invention will now be explained: The car body WK, which is exposed to the various forces and angles of inclination, is shown with its actuator in the right part of FIG. 3 shown in the form of a functional circuit diagram and outlined in dotted lines, while the left-hand part, outlined in dashed lines, reproduces the control loop RG. First of all, only the part located below the dash-dotted line Z of both parts should be considered. As can be seen, the control circuit RG consists of an acceleration sensor 1, the output signal of which is fed via a low-pass filter 2 to one input of the controller 3, the output signal of which controls the actuator 4 for tilting the car body WK. The acceleration sensor 1 is exposed to the transverse acceleration b _q , and the actuator 4 determines the tilt angle β of the car body. The car body WK is also exposed to the track elevation α and the centrifugal acceleration bR. Its total transverse inclination γ corresponds to the sum of the track elevation α and the tilting tendency ß, which is reflected in the

Summierpunkt 5 angedeutet wird. Die gesamte Quer- so liefert die Logikschaltung 11 ein Signal an dieSumming point 5 is indicated. The logic circuit 11 supplies a signal to the entire transverse direction

beschleunigung 6, setzt sich entsprechendGleichung (X) Differenzierstufe 12, welche dieses Signal dem weiterenacceleration 6, according to equation (X) differentiation stage 12, which this signal to the further

aus den Anteilen or, cos γ und g ■ sin γ zusammen. Eingang des Reglers 3 zuleitet. Die Schaltungsgrup-from the proportions or, cos γ and g ■ sin γ together. Input of controller 3. The circuit group

Diese Ableitung und Summierung der Querbeschleuni- pen 11 und 12 können Teil des Reglers 3 sein,This derivation and summation of the transverse accelerations 11 and 12 can be part of the controller 3,

gung bq aus dem Gesamtneigungswinkel γ und der 5 Die erfindungsgemäße Regelschaltung läßt sichbq from the total angle of inclination γ and the 5 The control circuit according to the invention can be

Beschleunigung or kann man sich durch ein cosinus- durch einen Hilfsregelkreis mit einem auf die Winkel-Acceleration or you can use a cosine through an auxiliary control loop with an angle

bildendes Netzwerk 6 und einen Multiplikator 7 bzw. _{hwindi keit} _ω ₌ ν ^ _{Fah um seine Hoch}.forming network 6 and a multiplier 7 or _{hwindi speed} _ω ₌ ν ^ _{Fah to its high} .

ein sinus-büdendes Netzwerk 8 mit einer nachge- ° ° R ° a sinus-büdendes network 8 with a trailing ° ° R °

schalteten Konstanten 9 sowie einen Summierer 10 achse ansprechenden Fühler, vorzugsweise einemswitched constants 9 and a totalizer 10 axis responsive sensor, preferably one

veranschaulichen. io Wendekreisel 13, noch verbessern. Der Kreisel 13illustrate. io rate gyro 13, still to be improved. The roundabout 13

Das Tiefpaßfilter 2 läßt nur Frequenzen unterhalb dient hier nicht als Dämpfungsrückführung, sondern einer vorgegebenen Eckfrequenz von beispielsweise spricht auf eine andere Bewegungsgröße des Wagens, 2 Hz voll durch, so daß kurze Stöße beim Überfahren nämlich seine Winkelgeschwindigkeit um die Hochvon Weichen sowie durch Schlingerbewegungen des achse an, während der Beschleunigungsmesser 1, wie Wagens in den Gleisen hervorgerufene kurzzeitige 15 erwähnt, die Querbeschleunigung mißt. Durch den Querbeschleunigungen den Regler 3 nicht zum An- zusätzlichen Wendekreisel 13 wird also noch eine sprechen bringen können. Die bei Kurvenfahrt auf- zweite Bewegungsgröße erfaßt und damit dem Regtretenden Querbeschleunigungen folgen auf Grund ler 3 ein weiteres für den jeweiligen Fahrzustand des des Streckenausbaues in wesentlich größeren Ab- Wagens charakteristisches Eingangssignal zur Verständen, so daß mit einem Tiefpaßfilter Auswirkungen 20 fügung gestellt.The low-pass filter 2 only lets frequencies below that is not used here as a loss feedback, but a given corner frequency of, for example, speaks to a different amount of movement of the car, 2 Hz fully through, so that short shocks when driving over namely its angular velocity by the high of Soft as well as by rolling movements of the axis, while the accelerometer 1, such as Short-term 15 mentioned in the car in the tracks, which measures transverse acceleration. Through the Lateral accelerations the controller 3 does not become an additional rate gyro 13 can speak. The second movement variable recorded when cornering and thus the person walking in the wind Ler 3, there is another lateral acceleration for the respective driving state of the the extension of the route in much larger Ab-Wagons characteristic input signal to the minds, so that with a low-pass filter effects 20 put in place.

der erwähnten kurzzeitigen Störbeschleunigungen Im oberen Teil der F i g. 3 ist dieser zusätzlichethe mentioned short-term disturbance accelerations In the upper part of FIG. 3 is this additional

wirkungsvoll unterdrückt werden können. Hilfsregelkreis, und zwar oberhalb der strichpunk-can be effectively suppressed. Auxiliary control loop, above the dash-dot

Um am Ende einer Kurve den Wagenkasten WK tierten Linie Z dargestellt. Auf den am Wagenmöglichst schnell wieder in die Normallage abzu- „ kasten WK befestigten Kreisel 13 wirkt von der senken, kann in Weiterbildung der erfindungsgemäßen 25 Kurvenfahrt die Komponente ω · cos γ der Winkel-Einrichtung einem weiteren Eingang des Reglers 3 ein U-ri·* ^V ■ T T-W J-Vorhaltesignal eingegeben werden Hierzu ist eine S^hw.nd.gke.t ω = _τ ein. Im FunktionsdiagrammAt the end of a curve the car body WK- based line Z is shown. In the ERS on the carriage as quickly as possible in the normal position "box WK fixed gyro 13 acts to reduce the, in development of the 25 turning of the invention, the component ω · cos γ, the angle means a further input of the controller 3, a U-ri · * ^V ■ T TW J lead signal must be entered. For this purpose, a S ^ hw.nd.gke.t ω = _τ a. In the function diagram

Logikschaltung 11 vorgesehen, welche mit ihrem einen des Wagenkastens kann man sich dies als eine MultiEingang an den Ausgang des Beschleunigungsfühlers 1 plikation des Ausgangssignals des Cosinusbildners 6 und mit ihrem anderen Eingang entweder an den Aus- 30 mit der Winkelgeschwindigkeit ω des Wagens in gang des Reglers 3 oder an den Stellantrieb 4 angc- einem Multiplikator 14 vorstellen. Aus der Winkelschlossen ist und somit entscheidet, ob das Ausgangs- geschwindigkeit ω läßt sich außerdem durch Multiplisignal des Beschleunigungsfühlers 1 ein Absenken oder kation mit der Fahrzeuggeschwindigkeit ν in einem ein weiteres Anheben des Wagenkastens WK auf der weiteren Multiplikator 15 die Fliehbeschleunigung or einen Seite erfordert. Ist ein Absenken erforderlich, 35 entstanden denken.Logic circuit 11 is provided, which with one of the car body can be viewed as a multi-input to the output of the acceleration sensor 1 plication of the output signal of the cosine generator 6 and with its other input either to the output 30 with the angular velocity ω of the car in the output of the controller 3 or a multiplier 14 at the actuator 4. This is based on the angle and thus decides whether the output speed ω can also be lowered or cated with the vehicle speed ν by a multiplier signal from the acceleration sensor 1 in a further raising of the car body WK on the further multiplier 15, which requires centrifugal acceleration or one side. If a lowering is necessary, think 35 that it has arisen.

Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings

Claims

is not so large that the pendulum commands a lowering or a tilt in the opposite direction. These facilities have therefore in practice as

1. Device for reducing the impact - unsatisfactory and not implemented. kung of transverse forces when cornering on in 5 The object of the invention is to provide a single To create a vehicle, in particular a rail vehicle, in the direction of the type mentioned above, persons or objects located, which automatically determine the speed of the vehicle Car body an approach based on lateral accelerations and also an already existing G.eis or Speaking sensor is attached and takes into account the excessive elevation of the lane, for a short time The output signal of an an- io disturbance acceleration at the output of the sensor does not respond and the previous one closed controller to a drive for tilting-described disadvantages of the known device avoids pening the car body in relation to the chassis with a two-position controller.

around an axis parallel to the longitudinal axis of the vehicle

acts, characterized, characterized invention.

that between the output of the sensor (1) and the ₁₅ While in a conventional Pende, a

Input of the controller (3) a low-pass filter (2) inevitably low natural frequency with a relatively

is switched, the undamped natural frequency of which is associated with high damping and leads to an

c is about 2 Hz. Speech delay leads, has the use of a

2. Device according to claim 1, characterized in that the low-pass filter has the advantage that the acceleration characterizes that a lead threshold of the control device needs to be determined in the control loop only when the ao knife itself is not the frequency-wise lowering of the car body (WK) supplying differentiating stage (12) switched on but a much higher corner frequency, for example. wise in Jer order of magnitude of 20 Hz,

3. Device according to claim 1 or 2, characterized during the low-pass filter for suppression higher characterized that the controller (3) except for the a _5- frequency interfering oscillations with regard to the output signal of the sensor (1) still the most favorable control behavior and the best possible loss of a signal on the angular speed distinction between useful and interfering signals designed the vehicle around its vertical axis is responsive. A rate gyro (13) is supplied to such a filter in the gripping area. significantly steeper characteristic than the frequency curve

30 of a conventional pendulum. In addition, the frequency limit can be set without interfering with the acceleration

knife can be adjusted.

Further refinements of the device according to the invention are characterized in the subclaims.

The invention relates to a device for recording. The invention is illustrated below with reference Reduction of the effect of transverse forces explained in the drawings.

Cornering on in a vehicle, in particular a railroad car drives through with constant

Rail vehicles, people or a curve at the opposite speed act on the maintenance, with two forces acting on the car body, as is known, namely sensors that respond to the slopes and the force F and the weight G . In the F i g. 1 a to Id output signal of a controller connected to the output of the sensor is the typical course of a railroad curve represents a drive for tilting, namely shows the car body opposite the chassis around a Fig. 1 a, the curve itself,

acts on the axis parallel to the longitudinal axis of the vehicle. Fig. Ib their development,

At one in »Glasers Annalen, Zeitschrift für Eisen- 45 F i g. Ic the course of the entire centrifugal accelerator system and Verkehrstechnik ZEV «, 89th year, gung and

Booklet 7, especially pages 272 and 273, Fig. Id described the division of the total centrifugal acceleration