DE19617003C2 - Schienenfahrzeug mit einem einachsigen Laufwerk - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Schienenfahrzeug gemäß dem Oberbegriff des ersten Anspruchs.

Ein bekanntes Schienenfahrzeug dieser Art (DE 42 24 467 A1) besteht aus mindestens zwei Fahrzeugkästen, die auf wenigstens drei gesteuerten einachsigen Laufwerken sitzen. Die Steuersignale für die Steuerung der beteiligten mehreren Laufwerke wird von einer Steuereinrichtung erzeugt, die das Steuersignal aus der Winkelstellung zweier benachbarter Wagenkästen gewinnt. Die Steuereinrichtung umfaßt dabei eine hydraulische Stelleinheit, die mit den Laufwerken gekoppelt ist und das von einer Gebersensoreinheit aus der Winkelstellung benachbarter Wagenkästen gewonnene und damit von dem Bogenradius eines zu durchfahrenden Gleises abhängige Steuersignal eine funktionsgerechte Schwenkung der betroffenen Laufwerke um eine Hochachse umsetzt. Von Nachteil ist bei dieser Ausgestaltung eine aufwendige Energieversorgung, die zusätzlich zu einer elektrischen Energieversorgung eine Hydraulikanlage am Wagen erforderlich macht. Zudem erfolgt die Abtastung der Winkelstellung zweier benachbarter Wagenkästen über mechanische Hebelanordnungen, die auf entsprechende hydraulische Stellglieder einwirken, welche den jeweiligen Laufwerkrahmen in eine Sollposition steuern.

Ein Einzelachslaufwerk für ein Schienenfahrzeug ist in der EP 0655 378 A1 offenbart, das mit einem Wagenkasten verbunden ist und Lenkbewegungen um eine vertikale Achse ausführen kann. Zur Erzielung eines Vorsteuereffekts des Radsatzes ist ein kraftgeregeltes Stellglied vorgesehen, welches bei einer Kurvenfahrt in Abhängigkeit vom Radius des Gleisbogens eine gegen die Rückstellkraft eines federelastisches Elements wirkende Gegenkraft ausübt. Ein Sensor, beispielsweise ein induktiver Weggeber, erfaßt den Ist-Wert des Lenkausschlages, der mit dem in Abhängigkeit vom Gleisbogenradius vorgegeben Soll-Wert der Radialeinstellung des Radsatzes verglichen wird und im falle einer Abweichung die vom kraftgeregelten Stellglied ausgeübte Gegenkraft nachgeregelt wird, bis der Soll-Wert erreicht wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Schienenfahrzeug gemäß dem Oberbegriff des ersten Anspruchs Maßnahmen zu treffen, durch welche mit einfachen Steuerungseinrichtungen eine zuverlässige Einstellung eines einachsigen Laufwerks im Gleisbogen ermöglicht wird.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß der Erfindung durch die Merkmale des ersten Anspruchs. Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgegenstands gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Bei einer Ausgestaltung eines Schienenfahrzeugs gemäß der Erfindung wird mittels eines Gebersensors in einer Gebersensoreinheit ein unmittelbar aus dem Radius eines zu durchfahrenden Gleises abgeleitetes elektrisches Ursprungs-Signal generiert, das aus der aktuellen Stellung eines insbesondere vorlaufenden, sich aufgrund der Rad-Schiene- Geometrie selbst einstellenden Laufwerks aus der Winkellage von benachbarten Wagenkastenteilen oder dergleichen abgeleitet wird. Dieses Ursprungs-Signal enthält neben einem dem Bogenradius entsprechenden, für die Steuerung benötigten Nutzsignalanteil auch überlagerte Schwingungen die sich im Betrieb eines Schienenfahrzeugs aus den durch Unebenheiten, Fremdkörper, Traktionskrafteinflüssen und dergleichen ergebenden Schwankungen zwischen Laufwerk und Wagenkasten oder zwischen den als Meßgrundlage verwendeten Wagenkästen ableiten und sich dem bogenabhängigen Nutzsignal aufmodulieren bzw. überlagern. Um derartige gleisbogenunabhängige Störungen zu eliminieren, wird das Ursprungssignal einem Tiefpaßfilter zugeführt, das eine unterhalb der Störschwingungen liegende Grenzfrequenz aufweist. Es hat sich gezeigt, daß diese Grenzfrequenz unter 5 Hertz liegt und vorzugsweise bis 0,5 Hertz gewählt wird. Das so von Störschwingungen befreite Signal entspricht einem auf den jeweils zu durchfahrenden Bogenradius abgestimmten Sollwert-Signal, das als quasistatische Führungsgröße für die Steuerung einer dem einzustellenden Laufwerk zugeordneten Stelleinheit dient.

Die mit dem zu steuernden Laufwerk, insbesondere mit dessen Laufwerkrahmen gekoppelte Stelleinheit weist einen elektrischen Regler und ein von dessen als Führungsgröße wirkenden Ausgangssignal gesteuertes elektromagnetisches Stellglied auf. Dieses Stellglied ist mechanisch einerseits mit dem Laufwerk und andererseits mit dem zugehörigen Wagenkasten gekoppelt, so daß durch Verstellen des Stellglieds eine Schwenkung des Lauf­ werks um seine reelle oder virtuelle Hochachse möglich ist. Wird ein Schrittmotor als Stellglied verwendet, dann kann es ausreichen, das Ausgangssignal des Filters über den Regler in eine Stellimpulsfolge umzusetzen, welche eine dem zu durchfahrenden Bogenradius angepaßte Winkelverstellung des Laufwerks gegenüber dem zugeordneten Wagenkasten bewirkt. Ist eine positionsgenaue Ansteuerung dagegen nicht sichergestellt, dann ist es zweckmäßig, am Stellglied oder am Laufwerk einen Positionsgeber vorzusehen, der ein elektrisches Positionssignal über die aktuelle Einstellposition liefert. Dieses Positionssignal kann dann als Positions-Istwert einer elektrischen Vergleichseinrichtung zugeführt werden, der als Sollwert das quasistatische Ausgangssignal des Filters zugeführt wird und aus Sollwert und Ist-Wert die jeweils noch auszugleichende Regelabweichung dem Regler zuführt, dessen Ausgangssignal als Stellgröße an das Stellglied solange ausgegeben wird, bis die Regelabweichung zumindest annähernd gegen Null geht.

Die Gebersensoreinheit und insbesondere der Filter kann zwei quasistatische Signalausgänge aufweisen, wobei an jeden dieser Signalausgänge eine Stelleinheit angeschlossen ist, deren Stellglieder gemeinsam auf dasselbe Laufwerk und insbesondere auf dessen Laufwerksrahmen wirken. Die mechanischen Angriffsstellen der beiden Stellglieder liegen dabei insbesondere diagonal zueinander und in den Bereichen des Laufwerkrahmens, in dem sich Sekundärfederelemente zur Verbindung des Laufwerkrahmens mit dem zugeordneten Wagenkasten befinden. In diesem Bereich sind auch üblicherweise Primärfederelemente zwischen dem Laufwerkrahmen und den Radlagern des einachsigen Radsatzes vorgesehen. Die Quersteifigkeit dieser Federelemente bewirkt die Grundausrichtung des Laufwerks in Fahrzeuglängsachse und läßt im Betrieb eine sich aus der Rad-Schiene-Geometrie ergebende beschränkte Auslenkung des Radsatzes zu, während die durch das Stellglied erzwungene Auslenkung gegen die Kraft der Sekundärfederelemente erfolgt. Zweckmäßigerweise bildet dabei eine Drehzapfenlagerung eine reelle Hochachse für die Schwenkbewegung des Laufwerks gegenüber dem Wagenkasten.

Das jeweilige Stellglied ist insbesondere als Linearantrieb ausgebildet und kann ein elektrischer Linearmotor oder ein Servomotor mit Gewindespindelantrieb oder mit Planetengetriebe sein. Die Anbindung des oder der Stellglieder erfolgt insbesondere elastisch an das Laufwerk oder den Wagenkasten, wozu vorzugsweise zwischengefügte Gummi- Metallelemente verwendet werden, um einerseits das Stellglied gegen Stoßbelastungen zu schützen und sich aus dem Fahrbetrieb ergebende notwendige Pendelbewegungen zwischen Fahrgestellrahmen und Wagenkasten zuzulassen.

Der Gebersensor zur Generierung des gleisbogenabhängigen Ursprungssignals kann als elektrischer Widerstandsgeber einem Kupplungsgelenk zwischen zwei Wagenkästen zugeordnet sein und die daran bei Bogenfahrt sich einstellende Drehwinkeländerung für das Ursprungs-Signal als sich ändernder elektrischer Widerstand, als Induktivitäts- oder Kapazitätswert oder dergleichen erfassen. Der Gebersensor kann jedoch auch einem dem zu steuernden Laufwerk am gleichen oder einem anderen Wagenkasten angeordneten vor- oder nachlaufenden Laufwerk zugeordnet sein und von dessen sich aus der Rad-Schiene- Geometrie bei Bogenfahrt selbsttätig ergebender Drehauslenkung beeinflußt sein.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Prinzipskizzen eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 in Draufsicht ein vom zu durchfahrenden Bogenradius mit Hilfe von Stellgliedern steuerbares einachsiges Laufwerk und

Fig. 2 eine Steuereinheit mit einer Sensoreinheit und Stelleinheiten zur Steuerung der Stellglieder.

Ein nicht dargestellter Wagenkasten eines Schienenfahrzeugs sitzt über Sekundärfederelemente 1 auf einem Laufwerkrahmen 2 eines nur eine Achse 3 aufweisenden Einachs-Laufwerks mit starr auf der Achse 3 festgesetzten Schienenrädern 4 auf. Die Achse 3 des Radsatzes liegt in einer die senkrechten Mittelachsen 5 der Sekundärfederelemente 1 aufnehmenden senkrechten, quer zur Fahrzeuglängsrichtung verlaufenden Ebene, wobei die Radlager 6 über in Fahrtrichtung vor- und nachgeordnete Primärfederelemente 7 an der Unterseite des Laufwerkrahmens 2 abgestützt und festgesetzt sind. Die Primärfederelemente 7 nehmen dabei nicht nur Gewichtskräfte in ihrer Achsrichtung auf sondern lassen durch eine gewisse Querelastizität auch aus der Rad-Schiene-Geometrie sich ergebende Schwenkausschläge der Achse 3 bzw. des Laufwerkrahmens 2 gegenüber dem Wagenkasten 13 in begrenztem Maße zu. Die Schwenkung erfolgt dabei um eine Hochachse 8, die durch einen mit dem zugehörigen Wagenkasten verbundenen und in eine Lageraufnehmung an Laufwerksrahmen 2 eingreifenden Lagerzapfen realisiert ist.

Um eine erzwungene Drehverstellung des Laufwerks um die Hochachse 8 abhängig vom Bogenradius des jeweils zu durchfahrenden Gleisabschnittes bewerkstelligen zu können, ist eine Stellvorrichtung aus zwei diagonal und symmetrisch angeordneten Stellgliedern 9 vorgesehen, die an der jeweiligen Außenseite des Laufwerkrahmens 2 im Bereich der Radlager 6 bzw. der Sekundärfederelemente 1 über eine Stellstange 10 mit einem dort vorgesehenen Halteauge 11 in Eingriff stehen und andernends über ein gummielastisches Element als elastisches Anbindungsmittel 12 fest mit einem am Wagenkasten starr angeordneten Wagenkastenteil 13 verbunden ist.

Zur Steuerung der Stellglieder 9 ist eine Steuereinrichtung gemäß Fig. 2 vorgesehen. Sie besteht aus einer Sensoreinheit 14 und zwei davon gesteuerten, zumindest in der Grundfunktion gleichen Stelleinheiten 15, welche jeweils eines der Stellglieder 9 zur zwangsweisen Drehverstellung des Laufwerks umfassen. Die Sensoreinheit 14 besteht dabei aus einem Gebersensor 17, welcher das vom Radius eines zu befahrenden Gleisbogens abhängige Ursprungs-Signal, das abhängig von einem weiteren, sich selbst gemäß der Rad- Schiene-Geometrie einstellenden Laufwerk oder der aufeinander bezogenen Winkellage von Wagenkastenteilen benachbarter Wagen generiert wird. Nachdem diese Gebereinrichtungen nicht nur vom Radius des zu befahrenden Gleises sondern auch von Störeinflüssen beaufschlagt sind, ist dem bogenabhängigen Signalteil ein aus der Fahrzeugdynamik sich ergebendes Störsignal überlagert. Der Gebersensor 17 liefert demgemäß ein dynamisches Ursprungssignal w(t) dyn, welches einem Tiefpaßfilter 18 mit einer oberen Grenzfrequenz von bis zu 5 Hertz, vorzugsweise jedoch von nur 0,5 Hertz zugeführt wird. Die Anteile der schnelleren, höherfrequenten Störschwingungen werden dadurch aus dem Ursprungssignal eliminiert, so daß am Ausgang des Filters 18, das vorzugsweise zwei getrennte Ausgangsanschlüsse für die beiden Stelleinheiten 15 aufweist, jeweils eine quasistatische Führungsgröße w(t) ansteht, die als Sollwertvorgabe für die Einstellung des jeweiligen Stellgliedes 9 dient. Hierzu wird die gefilterte Führungsgröße w(t) einem Regler 19 zugeführt, der ein Ausgangssignal y(t) als Stellgröße für das elektromechanische Stellglied 9 liefert. Entsprechend der Größe oder Dauer dieses Ausgangssignals führt das insbesondere einen Elektromotor enthaltende Stellglied 9 eine Dreh-, vorliegend jedoch eine Längenänderung aus, welche das Fahrwerk so steuert, daß die Achse 3 in einer Radiuslinie des zu befahrenden Gleisabschnitts liegt. Um dabei sicherzustellen, daß die Sollposition des Stellglieds oder des Laufwerks tatsächlich erreicht wird, ist dem Stellglied 9 oder dem Laufwerk ein Positionsgeber 21 zugeordnet, der ein abhängig von der Dreheinstellung des Laufwerks oder der Position der Stellstange 10 abhängiges Positionssignal xr(t) liefert. Dieses Positionssignal wird einem elektrischen Vergleicher 20 zugeführt, dem als weiteres Eingangssignal auch die gefilterte Führungsgröße w(t) zugeführt wird. Das Positionssignal ist demnach der tatsächlich erreichte Ist-Wert in Bezug auf die durch den Sollwert vorgegebene Sollposition. Im Vergleicher wird aus den beiden Eingangssignalen w(t) und xr(t) die Regelabweichung ermittelt und als Eingangssignal xw(t) dem Regler 19 zugeführt. Der Regler 19 erzeugt damit die Stellgröße y(t) nur solange, bis das Sollwertsignal und das Istwertsignal am Vergleicher 20 zu einer nahe dem Wert Null liegenden Regelabweichung führt. Der Positionsgeber 21 kann beispielsweise ein verstellbarer elektrischer Widerstand sein, der einerseits mit dem Laufwerkrahmen 2 und andererseits mit einem feststehenden Wagenkastenteil 1 3 mechanisch verbunden ist und das aus der Drehverstellung des Laufwerks sich ergebende Stellsignal xr(t) liefert.

Die Sensoreinheit 14 kann auch dazu benutzt werden, um beispielsweise bei einer Testfahrt auf einer vorgegebenen Schienenstrecke wegabhängig die Schienenkonfiguration in einem Datenspeicher als gefilterte Führungsgröße für die Gesamtstrecke abzulegen und bei weiteren Fahrten auf dieser Strecke auf diesem Datenspeicher die quasistatische Führungsgröße w(t) zur Steuerung der Stelleinheiten 15 abzurufen.

Insgesamt ergibt sich durch die Ausbildung der Steuerungselemente auf elektrischer und elektronischer Basis ein kostengünstiger und kompakter Aufbau bei geringem Mittelaufwand, wobei für die elektrische Energieversorgung das an Schienenfahrzeugen ohnehin vorhandene elektrische Netz zur Verfügung steht. Dabei werden elektrische Störeinflüsse, die unabhängig von dem Radius des zu befahrenden Schienenstücks sind, durch einfache elektrische Filterungsmaßnahmen eliminiert, so daß eine exakte radiale Ausrichtung des Fahrwerks in Bezug auf die Gleise störungsfrei erfolgen kann und dadurch ein ruhiger und entgleisungssicherer Lauf des betreffenden Laufwerks erreicht wird. Dabei ist es auch möglich, die von einer Sensoreinheit ermittelte Gleiskrümmung auf mehr als ein Laufwerk zu übertragen. Dabei kann es auch zweckmäßig sein, am zu steuernden Laufwerk selbst ein bogenabhängiges dynamisches Ursprungssignal abzugreifen, wenn der Gebersensor beispielsweise die Relativverstellung zwischen Laufwerksrahmen 2 und der darin gelagerten Achse 3 erfaßt und dementsprechend über die Stellglieder am zugehörigen Laufwerkrahmen eine Gesamtverstellung des Laufwerks in eine Drehposition bewirkt, in welcher die sich aus der Rad-Schiene-Geometrie ergebende und durch die Primärfederelemente 7 mögliche Auslenkung des Radsatzes gegenüber dem zugehörigen Laufwerksrahmen 2 kompensiert ist. Es ergibt sich insgesamt auch eine gute radiale Einstellung von Radsatz-Einzelfahrwerken im Gleisbogen auch bei großen Radsatzabständen an einem Wagenkasten, wobei die aufzuwendenden Steuerungsmittel kostengünstiger sind als die Zuordnung eines zweiten Radsatzes, der die Steuerungsaufgaben übernimmt. Im übrigen trägt die Achse 3 noch Bremsscheiben 22, welchen am Laufwerkrahmen 3 festgesetzte Scheibenbremsanordnungen 23 zugeordnet sind.

Claims (14)

1. Schienenfahrzeug mit wenigstens einem einachsigen Laufwerk (Rahmen 2), das gegenüber einem zugeordneten Wagenkasten (13) um eine reelle oder virtutelle Hochachse schwenkbar gelagert und mit einer Stelleinheit (15) gekoppelt ist, welche von einem Signal (w(t)) gesteuert ist, das von einer vom Bogenradius eines zu durchfahrenden Gleises beeinflußten Gebersensoreinheit (14) abhängig ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Gebersensoreinheit (14) einen elektrischen Gebersensor (17) und ein elektrisches Tiefpaßfilter (18) aufweist, daß der Gebersensor (17) ein dynamisches elektrisches Ursprungssignal (w(t) dyn) abgibt und daß dieses Ursprungs-Signal (w(t) dyn) dem Tiefpaßfilter (18) zugeführt ist, dessen quasistatisches Ausgangssignal (w(t)) die Stelleinheit (15) steuert und das eine obere Grenzfrequenz aufweist, die niedriger als die Frequenz von Störsignalen liegt, welche im Ursprungssignal (w(t) dyn) enthalten sind.

2. Schienenfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stelleinheit (15) einen Regler (19) und ein von dessen Ausgangssignal (y(t)) als Führungsgröße gesteuertes elektromechanisches Stellglied (9) aufweist und daß das Stellglied (9) mechanisch einerseits mit dem Laufwerk (Rahmen 2) und andererseits mit dem Wagenkasten (13) gekoppelt ist.

3. Schienenfahrzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß am Stellglied (9) oder Laufwerk (Rahmen 2) ein Positionsgeber (21) vorgesehen ist, der ein Positionssignal (xr(t)) liefert und daß das quasistatisches Ausgangssignal (w(t)) des Tiefpaßfilters (18) und das Ausgangssignal (xr(t)) des Positionsgebers (21) als Regelgröße einem elektrischen Signalvergleicher (20) zugeführt ist, der ein der Regelabweichung zwischen der vom Ausgangssignal (w(t)) des Tiefpaßfilter (18) vorgegebenen Sollposition und der vom Positionsgeber (21) gelieferten Istposition des Laufwerks (Rahmen 2) entsprechendes Ausgangssignal (xw(t)) als Eingangssignal an den Regler (19) liefert.

4. Schienenfahrzeug nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Gebersensoreinheit (14) zwei quasistatische Signalausgänge aufweist und daß jedem dieser Signalausgänge eine Stelleinheit (15) nachgeschaltet ist, deren Stellglieder (9) gemeinsam auf ein Laufwerk (Rahmen 2) wirken.

5. Schienenfahrzeug nach Anspruch 2 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Stellglieder (9) an diagonal gegenüberliegenden Stellen (Auge 11) des Laufwerks (Rahmen 2) angreifen.

6. Schienenfahrzeug nach Anspruch 2 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied (9) ein Linearantrieb ist.

7. Schienenfahrzeug nach Anspruch b, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied (9) ein Linearmotor ist.

8. Schienenfahrzeug nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied (9) ein Servomotor mit Gewindespindeltrieb ist.

9. Schienenfahrzeug nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied (9) ein Servomotor mit Planetengetriebe ist.

10. Schienenfahrzeug nach Anspruch 2 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied (9) elastisch an das Laufwerk (Rahmen 2) und/oder den Wagenkasten (13) angebunden ist.

11. Schienenfahrzeug nah Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Gebersensor (17) an einem Kupplungsgelenk zwischen zwei Wagenkästen (13) angeordnet ist und von der um eine Hochachse (8) sich einstellenden Drehwinkeländerung der Kupplungsgelenkteile gesteuert ist.

12. Schienenfahrzeug nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Gebersensor (17) einem dem zu steuernden Laufwerk vor- oder nachlaufenden, um eine Hochachse schwenkbaren Laufwerk zugeordnet ist und von dessen sich aus der Rad- Schiene-Geometrie selbsttätig ergebender Drehauslenkung beeinflußt ist.

13. Schienenfahrzeug nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Gebersensor (17) einen Datenspeicher enthält, in dem gleisstreckenbezogene Signale als Steuergröße für die Stelleinheit abgelegt sind, wobei die abgelegten Daten dem gefilterten quasistatischen Ausgangssignal entsprechen.

14. Schienenfahrzeug nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß das Tiefpaßfilter (18) eine Grenzfrequenz bis etwa 5 Hertz, vorzugsweise bis ca. 0,5 Hertz aufweist.