DE19654862C2 - Verfahren zur Beeinflussung des Knickwinkels von Schienenfahrzeug-Wagenkästen und Schienenfahrzeug zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents
Verfahren zur Beeinflussung des Knickwinkels von Schienenfahrzeug-Wagenkästen und Schienenfahrzeug zur Durchführung des VerfahrensInfo
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- DE19654862C2 DE19654862C2 DE19654862A DE19654862A DE19654862C2 DE 19654862 C2 DE19654862 C2 DE 19654862C2 DE 19654862 A DE19654862 A DE 19654862A DE 19654862 A DE19654862 A DE 19654862A DE 19654862 C2 DE19654862 C2 DE 19654862C2
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beeinflussung des
Knickwinkels zwischen den Längsachsen von benachbarten Wagen
kästen eines mehrgliedrigen, auf einer Gleistrasse fahrenden
Schienenfahrzeugs gemäß Anspruch 1 und ein Schienenfahrzeug zur
Durchführung dieses Verfahrens.
Um den Knickwinkel zwischen den Längsachsen von benachbarten
Wagenkästen eines mehrgliedrigen, auf einer Gleistrasse fahren
den Schienenfahrzeugs beeinflussen zu können (DE 28 54 776 A1),
wird so verfahren, daß die Verdrehung der Längsachse eines
Wagenkastens gegenüber dem zugehörigen Drehgestell gemessen und
abhängig davon über ein Steuergerät eine Aktorenanordnung in
Form von hydraulisch beaufschlagbaren Kraftzylindern gesteuert
wird. Diese Aktorenanordnung wirkt elektrisch auf das Steuer
gerät und mechanisch zwischen den über ein einziges Knickgelenk
miteinander verbundenen Enden benachbarter Wagenkästen. Die
Steuerung der Aktorenanordnung erfolgt dabei so, daß die zwei
achsigen drehzapfenlosen Drehgestelle, auf welchen die Wagen
kästen über elastische Sekundärferdern abgestützt sind, voll
kommen von der Funktion des Kraftspenders befreit werden und
der Verschleiß der Spurkränze und der Schienen wesentlich
herabgesetzt wird. Hierbei blockiert die Aktorenanordnung
das Knickgelenk bei Geradeausfahrt in einer Stellung über
Gleistrassenmitte und erzwingt bei Bogenfahrt das Ausknicken
des Knickgelenks zur Bogenaussenseite der Gleistrasse. Durch
diese zwangsgesteuerte Auslenkung wird eine verbesserte Nutzung
des Lichtraumes bei Kurvenfahrt des Schienenfahrzeugs
angestrebt.
Von Nachteil ist bei dieser Anordnung und Verfahrensweise, daß
eine dauernde zwangsmäßige Steuerung des Knickgelenks nötig
ist, da die aus der Knickung resultierenden Kräfte völlig vom
Drehgestell fern gehalten werden sollen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes
Verfahren und Schienenfahrzeug anzugeben, durch welche eine
Steuerung der Wagenkästen in der Weise möglich wird, daß
dieselben bei dynamischer Fahrt zueinander in einer Stellung
stehen, wie sie der statischen Lage im entsprechenden
Gleistrassenabschnitt entspricht.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß der Erfindung durch die
kennzeichnenden Merkmale des ersten bzw. zwölften Anspruchs.
Bei einer Verfahrensweise und einer Ausgestaltung gemäß der
Erfindung wird aus dem während der Fahrt des Schienenfahrzeugs
gemessenen Knickwinkel am Knickgelenk und dem Verdrehwinkel am
jeweiligen Drehgestell sowie dem bekannten Abstand zwischen
Knickgelenk und jeweiligen virtuellen Mittelpunkt des betref
fenden Drehgestells der Verlauf der Gleistrasse im Bereich der
Aufstandspunkte der Drehgestelle bestimmt und abgespeichert.
Für den jeweils folgenden differentiellen Gleisstrecken
abschnitt wird der gleiche Meßvorgang vorgenommen und die
daraus sich ergebenden Koordinaten für diesen partiellen
Gleisstreckenabschnitt wiederum abgespeichert. Diese Meßwert
aufnahme und Speicherung erfolgt zumindest über eine Strecke,
die zwischen dem ersten und dem letzten Drehgestell des mehr
gliedrigen Gelenk-Schienenfahrzeugs liegt. Im so abgebildeten
Gleisstreckenabschnitt ist somit nicht nur der Ort bestimmt, an
welchem sich das erste Drehgestell befindet, sondern auch
der oder die Örter zu bestimmen, an dem sich das oder mehrere
nachfolgende Drehgestelle befinden. Nachdem auch zu diesen
weiteren Örtern der Verlauf des dortigen Gleisstreckenab
schnitts in der Speicherreihe enthalten ist, ist somit für alle
aktuellen Aufstandspunkte der Drehgestelle die aktuelle Ist
stellung der Drehgestelle bekannt, nachdem dieselben im betref
fenden Gleisstreckenabschnitt geführt sind.
Zur Iststellung der Drehgestelle ist die Sollstellung der
Wagenkästen zu ermitteln, wie sie sich im statischen Zustand
einstellt, wenn das Schienenfahrzeug an dieser Stelle steht. In
dieser statischen Sollstellung wird der Lichtraum minimiert.
Zudem ist in dieser statischen Sollage die in den
Sekundärfedern durch Verdrehen und Querverschiebung des
Wagenkastens gegenüber dem Drehgestell gespeicherte Energie am
geringsten. Die Sollstellung der Wagenkästen zueinander läßt
sich somit auf der Grundlage der geringsten, in den Sekundär
federelementen gespeicherten Energie ermitteln und als Soll
winkel für die Stellung des Knickgelenks und der Drehgestelle
gegenüber den Wagenkästen als entsprechende Sollwertsignale
ausgeben. Die Sollstellung bzw. die zugehörigen Sollwertsignale
werden dann mit der Iststellung bzw. den Istwertsignalen für
den Knickwinkel und den Verdrehwinkel verglichen und abhängig
von diesem Vergleich eine Aktoranordnung gesteuert, die einer
Soll-Istwertabweichung entgegenwirkt. Es werden also die
Istwerte der Knick- und Verdrehwinkel zunächst zur Bestimmung
des Gleistrassenverlaufs ausgewertet, daraus die statische
Sollstellung der Wagenkästen in Bezug auf den aktuellen
Gleisstreckenabschnitt bestimmt, mit den bereits vorher
festgehaltenen Istwerten verglichen und daraus ein Steuersignal
für die Aktorenanordnung zur Korrektur der Soll-
Istwertabweichung generiert.
Werden dabei aktiv kraftabgebende Aktorelemente eingesetzt,
kann bei einem dem Sollwert nacheilenden Istwert eine
Kraftkomponente auf die Wagenkästen im Bereich des Knickgelenks
oder zwischen Wagenkasten und zugehörigen Drehgestell ausgeübt
werden, welche die Wagenkästen zur Sollstellung hin beschleu
nigen und bei Überschwingen des Istwertes über den Sollwert
hinaus eine entgegengerichtete Kraft ausüben. Werden dagegen
steuerbare Dämpfer angewandt, dann wird mit denselben bei einer
von der Sollstellung weglaufenden Änderung der Iststellung
einer weitergehenden gleichgerichteten Änderung der Iststellung
entgegengewirkt. Die Dämpferelemente werden demnach nur so
lange wirksam, wie sich der Istwert vom erreichten Sollwert
entfernt. Zum Sollwert hinlaufende Änderungen des Istwertes
werden dagegen nicht bedämpft.
Die erfindungsgemäße Steuerung ist besonders dann vorteilhaft,
wenn die Wagenkästen durch Ausfall von Bremsen, durch Ausfall
des Antriebs an einem vorlaufenden Drehgestell oder bei dergl
Fehlfunktionen oder auch durch Schieben in eine betriebsun
übliche, ggf. gefährliche V- oder Z-Stellung zueinander
gelangen und entgleisen können.
Zur Ermittelung des Verlaufs der Gleistrasse kann die Differenz
der Fahrstrecken am bogeninneren und am bogenäußeren Schienen
rad des ersten Drehgestells festgestellt und daraus der
Bogenradius der Gleistrasse im Bereich des in Fahrtrichtung
ersten Drehgestells ermittelt werden. Die dabei ermittelten
Werte werden wiederum als Meßreihe zumindest für den zwischen
dem ersten und letzten Drehgestell liegenden aktuellen Stecken
abschnitt insbesondere als koordinatenbezogene Meßwerte
abgelegt, so das die jeweils gespeicherte Daten- bzw. Meßwert
reihe den aktuellen Streckenverlauf abbildet, auf den zur
Ermittelung der Sollstellung der Wagenkästen jeweils zurück
gegriffen wird. Die Differenz der Fahrstrecken kann dabei aus
der unterschiedlichen Umdrehungszahl des bogeninneren und des
bogenäußeren Schienenrades oder durch optische oder auf Radar-
bzw. Ultraschallbasis arbeitende Wegstreckengeber ermittelt
werden. Es kann jedoch auch zur Ermittelung des Verlaufs der
Gleistrasse die Querbeschleunigung, die Neigung und die
Fahrgeschwindigkeit des ersten Wagenkastens ausgewertet und die
Radienwerte für differenzielle Streckenabschnitte aufeinander
folgend als Abbildung der aktuell befahrenen Gleisstrecke
gespeichert werden.
Für die technische Verarbeitung wird für den sich aus der
Iststellung der Wagenkästen ergebenden Knickwinkel wie auch für
den Verdrehwinkel zwischen Wagenkasten und Drehgestell je ein
von der Winkelstellung abhängiges Istwertsignal generiert. Zu
der aus der Abbildung der aktuellen Gleisstrecke errechneten
Sollstellung der Wagenkästen werden für die sich daraus
ergebenden Sollwerte des Knickwinkels wie des Verdrehwinkels
jeweils entsprechende getrennte elektrische Sollwertsignale
generiert. Diese Istwert- und Sollwert-Signale werden vorzugs
weise elektrisch oder digital verglichen und daraus ein
Steuersignal abgeleitet, das die Aktorenanordnung in der Weise
steuert, daß die Annäherung des jeweiligen Istwertsignal an das
zugehörige Sollwertsignal unterstützt bzw. einem Überschwingen
oder Unterschwingen entgegengewirkt wird. Wird eine Aktor
anordnung mit Dämpfercharakteristik eingesetzt, dann erfolgt
deren Steuerung in der Weise, das nur Änderungen des Istwerts,
die vom Sollwert weglaufen, bedämpft werden. Die Dämpfungs
wirkung kann dabei abhängig von der Steilheit der Änderung
gesteuert werden in der Weise, daß bei hohen Änderungsge
schwindigkeiten der Dämpfungswert hoch ist. Die Aktoranordnung
kann dabei Aktorelemente aufweisen, die zumindest im Bereich
des Knickgelenks, zwischen den beiden benachbarten Wagenkästen
und/oder auch zwischen dem Drehgestell und dem zugehörigen
Wagenkasten angeordnet sind. Vorzugsweise sind sowohl dem
Knickgelenk wie dem jeweiligen Drehgestell Aktorelemente in
symmetrischer Zuordnung beigeordnet.
Wird das mehrgliedrige Schienenfahrzeug aus jeweils zwei über
ein Knickgelenk verbundenen Wagen aufgebaut, bei dem die beiden
Wagenpaare über eine beidendig gelenkig zwischen dem zweiten
und dritten Wagen angeordnete Lenkerstange verbunden sind, dann
wird zweckmäßig auch hier der Streckenverlauf über die
Gesamtlänge des Schienenfahrzeugs abgespeichert und die Soll
stellungsbestimmung getrennt für jedes Wagenpaar durchgeführt,
wobei auch hierfür Basis für diese Bestimmung das Minimum der
in den Sekundärfederelementen gespeicherten Energie des
jeweiligen Wagenpaares ist.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Prinzipskizzen eines
Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 einen aus drei Wagen gebildetes Schienenfahrzeug mit
zugeordneten Steuerelementen auf einer gekrümmten
Gleistrasse,
Fig. 2 eine Prinzipdarstellung der Anordnung nach Fig. 1 mit
Bezug auf ein rechtwinkliges Koordinatensystem,
Fig. 3 jeweils einen idealisierten, als Sollwert dienenden und
je einen dynamischen, dem Istwert entsprechenden Verlauf
des Knickwinkels zwischen dem ersten und zweiten Wagen
bzw. des Verdrehwinkels zwischen dem in Fahrtrichtung
ersten Wagenkasten und dem zugehörigen Drehgestell beim
Durchfahren eines Gleisbogens im Verlauf einer
Gleistrasse.
Bei einem Schienenfahrzeug sind drei Wagenkästen 1, 2, 3 vorge
sehen, die jeder auf nur einem zweiachsigen Drehgestell 4 über
jeweils zwei elastische Sekundärfederelemente 5 auflagern,
welche ihrerseits auf einer quer zur Längsachse des jeweiligen
Wagenkastens liegenden Linie angeordnet sind und die neben
ihrer vertikalen Federeigenschaft zusätzlich eine Verdrehung um
eine vertikale Achse und eine Querverschiebung zulassen. Der
jeweilige Wagenkasten 1, 2, 3 kann sich dadurch in einer paral
lelen Ebene zum zugehörigen Drehgestell 4 in begrenztem Maß
verdrehen und seitlich verschieben. Dabei ist eine Verschiebung
des Drehgestells 4 in Längsrichtung des Wagenkastens durch
zumindest einen in Längsrichtung stehenden schwenkbeweglich am
Drehgestell 4 wie am Wagenkasten 1, 2, 3 angelenkten Lenker
unterbunden, der die in Wagenkastenlängsrichtung auftretenden
Traktionskräfte zwischen Drehgestell 4 und Wagenkasten 1, 2, 3
überträgt. Die Sekundärfedern 5 ermöglichen somit ein Verdrehen
der Längsachse des Drehgestells gegenüber der Längsachse des
zugehörigen Wagenkasten um den Winkel a, die an den einzelnen
Wagen in der Regel unterschiedlich groß sind. Zur Fassung
dieser Winkel a ist jeweils ein Verdrehwinkelgeber 6
vorgesehen, der einerseits mit dem zugehörigen Wagenkasten
1, 2, 3 und anderseits mit dem zugehörigen Drehgestell 4 gekop
pelt ist. Die Verdrehwinkelgeber 6 erzeugen abhängig vom
jeweiligen Verdrehwinkel a Verdrehwinkel-Istwertsignale V1, V2,
V3, die als Eingangssignale einer Steuereinheit 7 zugeführt
werden. Die Wagenkästen 1, 2 bzw. 2, 3 sind jeweils über ein
Knickgelenk 8 mit zugeordnetem Knickwinkelgeber 9 gelenkig
verbunden, wobei das Knickgelenk 8 jeweils das einzige Gelenk
zwischen benachbarten Wagenkästen ist. Der Knickwinkelgeber 9
generiert abhängig vom Knickwinkel, unter dem die Längsachsen
der zugehörigen Wagenkästen zueinander stehen, ein Knickwinkel-
Istwertsignal K1 bzw. K2, die ebenfalls als Eingangssignale der
Steuereinheit 7 zugeführt werden.
Um den Knickwinkel an den einzelnen Knickgelenken 8 beein
flussen zu können, ist eine Aktoranordnung mit symmetrisch zum
jeweiligen Knickgelenk 8 zwischen den einander zugewandten
Enden der benachbarten Wagenkästen angeordneten steuerbaren
Aktorelementen 10 vorgesehen, mit welchen eine Kraftkomponente
zwischen den benachbarten Wagenkästen erzeugt werden kann.
Weitere entsprechende Aktorelemente 11 stehen in symmetrischer
Anordnung einerseits mit dem jeweiligen Drehgestell 4 und
anderseits mit dem zugehörigen Wagenkasten 1, 2 bzw. 3 in
Wirkverbindung. Jedes Aktorelement 10 ist mit einem Aktor
steuereingang AST ausgestattet, die an entsprechende
Aktorsteuerausgänge AST 1 bis AST 4 der Steuereinheit 7
angeschlossen sind. Die Aktorelemente 11 weisen ebenfalls
Steuereingänge S auf, die ihrerseits an entsprechende Steuer
ausgänge S1 bis S6 der Steuereinheit 7 angeschlossen sind.
Dabei können jeweils die Steuereingänge für die Aktoren 11
eines Drehgestells 4 parallel geschaltet sein, um eine
unsymmetrische Verdrehung des Drehgestells unter der Wirkung
dieser Aktoren 11 zu verhindern.
Die Räder 12 der beiden Radsätze jedes Drehgestells 4 laufen
spurgebunden in einer Gleistrasse 13, so daß das zugehörige
Drehgestell zwangsläufig eine durch den aktuell befahrenen
Gleisabschnitt bestimmte Lage einnimmt. Diese Lage entspricht
im wesentlichen der Tangente an den Gleisbogenabschnitt 13 im
Bereich des betreffenden Drehgestells 4. In Folge der nur am
jeweiligen Knickgelenk 8 gekoppelten Wagenkästen 1, 2, 3 können
sich dieselben nicht frei entsprechend der Stellung des Dreh
gestells ausrichten. Es ergibt sich dadurch eine Verdrehung der
Sekundärfedern 5 um eine vertikale Achse und in der Regel auch
eine leichte Verschiebung quer zur Wagenkastenlängsachse WL.
Die Winkellage der einzelnen Wagenkastenlängsachsen WL der
Wagenkästen 1, 2, 3 gegenüber der Drehgestellängsachse DL der
zugehörigen Drehgestelle 4 ist dabei aus Fig. 2 zu entnehmen.
Daraus ergibt sich auch, in einem allerdings weit überzogenen
Maßstab, die mit der Verdrehung einhergehende Querverschiebung
h zwischen der Wagenkastenlängsachse WL und der Drehgestel
längsachse DL, die ebenfalls bei den einzelnen Wagenkästen
1, 2, 3 in der Regel unterschiedlich groß ist. Diese Verdrehung
und Querverschiebung muß von den jeweiligen Paaren der
Sekundärfedern 5 aufgenommen werden, d. h. die Sekundärfedern 5
speichern die sich daraus ergebende Energie. Im statischen Zu
stand, also bei stehendem Schienenfahrzeug nimmt die Summe
dieser Einzelenergien einen Minimalwert an. Im Fahrbetrieb wird
diese Energie auf Grund zusätzlich einwirkender dynamischer
Kräfte vergrößert. Dementsprechend ist der vom gesamten
Schienenfahrzeug beanspruchte Lichtraum im statischen Betrieb
ein Minimum und erreicht im Fahrbetrieb Werte, die den dem
statischen Betrieb entsprechenden Lichtraum überschreiten
können. Um dem entgegenwirken zu können, wird bei der Steuerung
so verfahren, daß die Wagenkästen 1, 2, 3 im dynamischen Fahrbe
trieb abhängig vom aktuell befahrenen Gleisabschnitt in eine an
sich dem statischen Zustand entsprechende Stellung mit Hilfe
der Aktoren 10 und gegebenfalls 11 gesteuert werden. Hierzu
wird jeweils der Verlauf der Gleistrasse zumindest über eine
Länge erfaßt und abgebildet, die aktuell zwischen dem ersten
und letzten Drehgestell des auf der Gleistrasse 13 laufenden
Schienenfahrzeugs liegt. Zu diesem während der Fahrt
fortlaufend aktualisierten Gleistrassenabschnitt wird die
Sollstellung der Wagenkästen zueinander ermittelt, die sie, wie
vorstehend erläutert, im statischen Zustand, also im stehenden
Betrieb gegenüber der Gleistrasse unter Berücksichtigung der
Aufstandspunkte der Drehgestelle zueinander einnehmen würden.
Durch Vergleich der aktuellen Iststellung der Wagenkästen
zueinander mit der aus dem Gleistrassenverlauf ermittelten
zugehörigen Sollstellung wird der Abweichung abhängig vom
Vergleichsergebnis zumindest dann entgegengewirkt, wenn sich
der Istwert vom Sollwert entfernt. Diese Verfahrensweise ist
dann zweckmäßig, wenn die der mechanischen Steuerung dienenden
Aktoren steuerbare Dämpfer sind, die die Beweglichkeit im
Bereich des Knickgelenks und/oder zwischen jeweiligem
Drehgestell und Wagenkasten abbremsen. Hierbei kommen ins
besondere hydraulische Dämpfer zur Anwendung, deren Dämpf
charakteristik abhängig von der Verstellgeschwindigkeit ist.
Werden kraftabgebende Aktoren verwendet, wie beispielsweise
Hydraulikzylinder oder elektromotorisch angetriebene
Spindelantriebe, dann können zwischen den Wagenkästen bzw.
zwischen Drehgestell und zugehörigem Wagenkasten gesteuerte
Kraftkomponenten eingebracht werden, welche den Knickwinkel
und/oder den Verdrehwinkel aktiv zum Sollwert hinführen und bei
einem Überschwingen des Istwerts über den jeweils vorgegebenen
Sollwert auch dieser Änderung durch Wechseln der Kraftrichtung
entgegenwirken.
Die Ermittlung des Verlaufs des zumindest aktuell befahrenen
Gleistrassenabschnitts kann auf unterschiedliche Weise
erfolgen. So ist es möglich, in einem konstanten Takt, also in
mehreren Schritten fortlaufend den aktuellen Knickwinkel
zwischen den Längsachsen von zwei benachbarten Wagenkästen und
den Verdrehwinkel zumindest zwischen dem in Fahrtrichtung
ersten Drehgestell und dem zugehörigen Wagenkasten zu ermitteln
und aus diesen Winkeln und den vorgegebenen Abständen zwischen
dem Knickgelenk und den beiden benachbarten Drehge
stellen den Bogenradius der Gleistrasse im Bereich des ersten
Drehgestells für den dortigen aktuellen differentiellen
Gleisstreckenabschnitt zu bestimmen. Ein differentieller
Gleisstreckenabschnitt ist dabei ein im Vergleich zum
Streckenabschnitt zwischen erstem und letztem Drehgestell
liegender kurzer Trassenteil. Zu diesem differentiellen
Gleisstreckenabschnitt werden zugleich koordinatenbezogene
Meßwerte bestimmt und diese Meßwerte wenigstens für den
zwischen dem ersten und letzten Drehgestell liegenden
Streckenabschnitt fortlaufend als Abbildung des entsprechenden
Gleisabschnitts abgelegt. Die Werte für Gleistrassenabschnitte,
die in Fahrtrichtung hinter dem letzten Drehgestell liegen,
könne jeweils gelöscht werden, wenn die Gleistrasse nicht
insgesamt für weitere Fahrten ohne eigene Trassenermittlung
befahren werden soll.
Die Ermittlung des Verlaufs der Gleistrasse kann aber auch aus
der Differenz der Fahrstrecken am bogeninneren Gleis und am
bogenäußeren Gleis erfolgen, wobei aus dieser Differenz der
Bogenradius der Gleistrasse im Bereich des in Fahrtrichtung
ersten Drehgestells ermittelt wird und die daraus für die
entsprechenden differentiellen Streckenabschnitte gewonnenen
koordinatenbezogenen Meßwerte wieder als digitale Abbildung des
befahrenen Steckenabschnitts in einer Meßwertreihe abgelegt
werden. Die Differenz der Fahrstrecken kann dabei durch Messung
der Umdrehungszahlen am bogeninneren bzw. bogenäußeren Losrad
des ersten Drehgestells oder durch Ultraschall- oder Radar-Weg
meßgeräte festgestellt werden. Der Verlauf der Gleisstrecke
kann jedoch auch aus der Querbeschleunigung, der Neigung des
Wagenkastens und der Fahrgeschwindigkeit ermittelt werden,
indem aus diesen Werten der Bogenradius der Gleistrasse
bestimmt wird und zu entsprechenden differentiellen
Streckenabschnitten wieder die koordinatenbezogenen Meßwerte
als Streckenverlauf in einem mehrzelligen Speicher abgelegt
werden.
Zur Ermittlung der aktuellen Sollstellung der Wagenkästen 1, 2, 3
zum im Speicher abgelegten aktuellen Verlauf der Gleistrasse 13
wird von der Bedingung ausgegangen, daß bei der der Soll
stellung entsprechenden statischen Ruhestellung die Sekundär
federn 5 der durch Knickgelenke 8 miteinander verbundenen
Wagenkästen insgesamt ein Energieminimum hinsichtlich ihrer
Verdrehung um eine vertikale Achse und einer Querverschiebung
aufweisen. Dementsprechend wird vorzugsweise in einem digitalen
Rechengang nach einem entsprechenden Algorithmus zu dem aktuel
len Verlauf der Gleistrasse bestimmt, unter welchen Winkeln
benachbarte Wagenkästen zueinander bzw. deren Drehgestelle zum
Wagenkasten in der Sollstellung aufweisen müssen. Es werden
also zur Sollstellung zugehörige Sollwertsignale für den
Knickwinkel zwischen den Längsachsen der benachbarten
Wagenkästen bestimmt. Analog dazu werden zur ermittelten
Sollstellung auch die zugehörigen Sollwertsignale für den
Verdrehwinkel zwischen Drehgestell und zugehörigem Wagenkasten
durch digitale Datenverarbeitung generiert.
Die Iststellung der Wagenkästen ergibt sich aus dem Knickwinkel
und dem/den Verdrehwinkel/n, wie sie durch die Knickwinkelgeber
9 bzw. die Verdrehwinkelgeber 6 tatsächlich gemessen und als
insbesondere elektrische Istwertsignale K bzw. V ausgegeben und
an die Steuereinheit 7 zur Weiterverarbeitung geleitet werden.
In der Steuereinheit 7 werden die Istwertsignale mit den
Sollwertsignalen verglichen und abhängig davon eine Steuerung
der Aktoren 10 und gegebenfalls 11 durchgeführt. Dabei können
die Aktoren 10, 11 so gesteuert werden, daß bei Istwertsignalen,
die dem Sollwert nacheilen, die aus der Dynamik herührenden
Knick- bzw. Verdrehkräfte zwischen den zugehörigen Wagenkästen
bzw. Drehgestell und Wagenkasten so unterstützt werden, daß die
Istwertsignale sich den Sollwertsignalen annähern bzw. daß sie
beim Überschwingen der Istwerte über den Sollwert hinaus in
gegenläufiger Richtung gesteuert werden. Werden die Aktoren
dagegen nur als Dämpfungselemente ausgebildet, ist eine aktive
Unterstützung der Drehbewegungen zur schnelleren Annäherung der
Istwerte an die Sollwerte nicht möglich, jedoch wird dann, wenn
der Istwert den Sollwert
erreicht hat und anschließend vom Sollwert wegläuft, eine
Bedämpfung der entsprechenden Wagenkastenbewegung bewirkt.
Sobald wieder eine Annäherung des Istwertes an den Sollwert
erfolgt, wird diese Bedämpfung aufgehoben damit sich die
Wagenkasteniststellung der Sollstellung möglichst ungehindert
annähern kann.
Die Aktoranordnung 10, 11 weist vorzugsweise je zwei symmetrisch
zum jeweiligen Knickgelenk 9 und/oder zu den Drehgestellen 4
angeordnete Aktorelemente auf. Während die Aktoren 11 am
Drehgestell 4 jeweils gleichsinnig arbeiten müssen, um eine
symmetrische Verdrehung gegenüber dem zugehörigen Wagenkasten zu
erreichen und daher je Drehgestell 4 an einen gemeinsamen Aus
gang S1/S2, S3/S4, S5/S6 der Steuereinheit 7 angeschlossen
werden können, müssen die Aktorelemente 10 im Bereich des je
weiligen Knickgelenks 9 aufgrund ihrer Anordnung in einer
waagerechten Ebene jeweils neben dem Knickgelenk 9 in
gegenläufigem Sinne gesteuert werden. Es muß also beim Strecken
des einen Aktorelements 10 das andere entweder wirkungslos oder
im Sinne einer Verkürzung der axialen Länge gesteuert werden.
In Fig. 3 ist der "statische" Knickwinkel-Sollwert im Vergleich
zum zugehörigen "dynamischen" Knickwinkel-Istwert und gleich
zeitig der "statische" Verdrehwinkel-Sollwert im Vergleich zum
"dynamischen" Verdrehwinkel-Istwert an dem in Fahrtrichtung
ersten Drehgestell für einen Gleisstreckenabschnitt darge
stellt, der von einer Geraden in einen Bogen mit konstantem
Bogenradius führt. Die Soll- und Istwertsignale sind dabei von
im Betrieb auftretenden Störschwingungen befreit. Über der als
Abszisse aufgetragenen Länge einer Gleisstrecke sind auf der
linken Ordinate Knickwinkelwerte und auf der rechten Ordinate
Verdrehwinkelwerte aufgetragen. Die 0-Punkte sind dabei nicht
höhengleich.
Beim Einfahren eines ersten Drehgestells aus einer geraden
Gleistrasse in einen Gleisbogen mit konstantem Radius steigt
der Sollwert des Knickwinkels annähernd linear auf einen
Maximalwert, bis die beiden zugehörigen Wagenkästen bzw. deren
Drehgestelle im Bogenabschnitt laufen. Ohne Änderung des Radius
verbleibt der Knickwinkel anschließend konstant auf dem
Maximalwert. Der Verlauf des Knickwinkel-Sollwerts entspricht
dabei dem Verlauf, wie er sich Punkt für Punkt bei gegen Null
gehender Fahrgeschwindigkeit oder im stehenden Betrieb ergibt.
In gleicher Weise ist auch der Sollwert-Verdrehwinkel in das
Schaubild eingetragen, der zunächst in gegenläufiger Ände
rungsrichtung vom Wert Null aus abfällt, und anschließend
wieder bis zum Wert Null ansteigt, wenn auch das zweite
Drehgestell in den Gleisbogen eingefahren ist. Die Wagenkästen
stehen dann zumindest weitgehend tangential zum Schienenbogen.
Der Verlauf der Knickwinkel-Sollwertlinie wird aus dem Verlauf
der aktuell befahrenen Gleisstrecke auf der Basis des jeweils
kleinsten Gesamtenergieinhalts der zu berücksichtigenden Quer-
und Verdrehkräfte der zugehörigen Sekundärfederelemente
errechnet und kann vorzugsweise als fortlaufende Folge von
Sollwerten für die zugehörigen differentiellen Gleisstrecken
abschnitte abgespeichert werden. In analoger Weise wird auch
der Sollwert für den Verdrehwinkel ermittelt.
Der Knickwinkel-Istwert, der sich bei Befahren des betreffenden
Gleisstreckenabschnitts ohne Beeinflussung durch Aktoren ein
stellt, beginnt beim Einfahren aus einer Geraden in einen
Gleisbogen selbstverständlich ebenfalls beim Wert Null und
steigt in Folge der Massenträgheit gegenüber dem Sollwert
zeitverzögert an. Die Massenträgheit verhindert dann jedoch
eine Beendigung der Knickwinkel-Istwert-Vergrößerung bei Soll-
Istwertgleichheit und führt so zu einem Überschwingen des
Istwerts über den Sollwert hinaus, wie es der den Sollwert nach
oben überschreitende Linienzug prinzipiell darstellt.
Sofern nicht anfangs durch aktiv Kraft aufbringende Ak
torelemente die Knickung der Wagenkastenlängsachsen unterstützt
wird, um bereits vor dem Erreichen des Maximalwerts eine
Annäherung an den Sollwert zu erreichen, wird bei Anwendung von
Aktoren mit Dämpfungscharakteristik dem Überschwingen des
Knickwinkels erst dann entgegengewirkt, wenn der Istwert den
Sollwert überschreitet. Ggf. kann die Dämpfungswirkung auch
bereits dann einsetzen, wenn der Istwert kurz vor dem Sollwert
liegt. Die Bedämpfung der Knickwinkel-Vergrößerung nach
Überschreiten des Sollwerts ist durch das nach oben gerichtete
schwarze Feld im überschwingenden Bogen dargestellt, wobei die
Bedämpfung nur solange aufrechterhalten wird, wie sich der
Istwert vom Sollwert entfernt. Durch entsprechend starke
Bedämpfung wird die Höhe des überschwingenden Bogens weitgehend
und idealerweise gegen den Wert Null hin vermindert. Der ab
fallende Ast des überschwingenden Bogens wird nicht bedämpft,
um hierdurch die Annäherung an den Sollwert nicht zu verzögern.
Bei einem Unterschwingen des Sollwerts, wie es durch den den
Sollwert nach unten unterschreitenden Bogen dargestellt ist,
erfolgt ebenfalls eine Bedämpfung der Knickwinkelverkleinerung
ab dem Erreichen des Sollwerts, um auch dieses Unterschwingen
auf ein Minimum zu reduzieren. Der anschließend zum Sollwert
hinlaufende Bogenabschnitt wird wiederum nicht bedämpft. Dabei
wird eine Bedämpfung von Abweichungen zwischen Soll- und
Istwert nur bei Überschreiten vor gegebener Grenzwerte
vorgenommen, so daß kleine betriebsübliche Winkelabweichungen
zugelassen werden.
Der gestrichelt dargestellte Verlauf des betriebsbedingten
dynamischen Verdrehwinkel-Istwerts folgt zunächst mit
vergrößerter Amplitude dem Verlauf des ebenfalls aus der
Gleisgeometrie errechneten Verdrehwinkel-Sollwerts, um nach dem
Zurücklaufen zum Wert Null hin ebenfalls in Folge der
Massenträgheit der Wagenkästen über den Wert Null hinaus zu
schwingen. Sofern dieses Überschwingen nicht bereits durch die
Bedämpfung mittels der Aktoren im Bereich des Knickgelenks auf
unschädliche Werte begrenzt werden kann, kommen die Aktor
elemente 11 zur Anwendung, welche zwischen Drehgestell 4 und
zugehörigem Wagenkasten 1, 2 oder 3 wirken. Dabei kann durch
aktiv Kraft aufbringende Aktorelemente 11, also
Hydraulikzylinder oder elektrische Antriebe, dem negativen
Schwingungsausschlag über den Sollwert hinaus entgegengewirkt
werden. Kommen als Aktoren nur Dämpfungselemente zur Anwendung,
kann nur dem Überschwingen oder Unterschwingen des Sollwerts
durch entsprechende Steuerung der Aktoren entgegengewirkt
werden. Auch hierbei wird eine Bedämpfung entsprechend dem
schwarzen Feld nur solange vorgenommen, als sich der Istwert
nach Erreichen des Sollwerts von demselben in positiver wie in
negativer Richtung entfernt. Zum Sollwert hinlaufende
Annäherungsbewegungen des Drehgestells gegenüber dem
Wagenkasten werden dagegen nicht bedämpft. Auch hier ist es
möglich, die Bedämpfung kurz vor dem Erreichen des Sollwerts
einsetzen zu lassen, um das Überschwingen auf ein Minimum
herabzusetzen.
Entsprechende Steuervorgänge können mit Hilfe der Aktoren auch
dann ausgeführt werden, wenn das Schienenfahrzeug den Gleis
bogen verläßt und beim Übergang in den geraden Trassenabschnitt
entsprechende, jeweils in Gegenrichtung auftretende
Schwingungsvorgänge wirksam werden.
Bei einer Steuerung der Wagenkästen durch Beeinflussung des
Knickwinkels zwischen den Wagenkastenlängsachsen, gegebenfalls
unter zuhilfenahme der Steuerung der Drehgestelle gegenüber den
Wagenkästen, kann somit die Wagenkastenstellung zueinander so
gesteuert werden, daß eine zumindest weitgehend dem statischen
Betrieb angenäherte Zuordnung der Wagenkästen zueinander im
dynamischen Betrieb erreicht wird, so daß das Schienenfahrzeug
insgesamt einen an den tatsächlichen Gleistrassenverlauf
angenäherten idealen Lichtraumbedarf aufweist und denselben
insbesondere dann einhält, wenn Fehlfunktionen an Brems-
und/oder Antriebselementen oder andere Einflußfaktoren zu einem
Schubbetrieb mit Ausknickung der Kuppelgelenke führen könnten.
Claims (17)
1. Verfahren zur Beeinflußung des Knickwinkels zwischen den
Längsachsen von benachbarten Wagenkästen eines mehrgliedrigen,
auf einer Gleistrasse fahrenden Schienenfahrzeugs, dessen
Wagenkästen jeweils über Sekundärfedern auf nur einem zwei
achsigen Drehgestell elastisch aufgelagert sind und jedenfalls
zwei benachbarte Wagenkästen über ein einziges Knickgelenk
gegeneinander schwenkbar miteinander gekoppelt sind, dadurch
gekennzeichnet, daß der Verlauf der Gleistrasse zumindest über
eine Länge erfaßt und abgebildet wird, die aktuell zwischen dem
ersten und letzten Drehgestell liegt, daß fortlaufend zu diesem
jeweils aktualisierten Gleistrassenabschnitt die Sollstellung
der Wagenkästen entsprechend ihrer zugehörigen statischen Ru
hestellung zueinander ermittelt wird, daß die aktuelle
Sollstellung mit der aktuellen Iststellung verglichen wird und
daß abhängig davon einer Soll-Istwertabweichung entgegengewirkt
oder zumindest bei einer von der Sollstellung weglaufenden
Änderung der Iststellung einer weitergehenden gleichgerichteten
Änderung der Iststellung entgegengewirkt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß zur Ermittlung der aktuellen Sollstellung
der Wagenkästen zum abgelegten aktuellen Verlauf der Gleis
trasse die zugehörige statische Ruhestellung der Wagenkästen
aus der Bedingung bestimmt wird, daß die Energie, welche durch
Verstellen der Drehgestelle gegenüber den Wagenkästen in den
Sekundärfedern gespeichert ist, für den aktuellen Standort des
Fahrzeugs ein Minimum erreicht.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß zur Ermittlung des Verlaufs der Gleistrasse fortlaufend der
aktuelle Knickwinkel zwischen den Längsachsen benachbarter
Wagenkästen und der Verdrehwinkel zwischen Drehgestell und
zugehörigem Wagenkasten ermittelt sowie aus diesen Winkeln und
den vorgegeben Abständen zwischen dem Knickgelenk und den bei
den benachbarten Drehgestellen der Bogenradius der Gleistrasse
im Bereich des ersten Drehgestells für den dortigen aktuellen
differentiellen Gleisstreckenabschnitt bestimmt wird und daß
die wenigstens für den zwischen dem ersten und letzten
Drehgestell liegenden Streckenabschnitt fortlaufend bestimmten
Werte als koordinatenbezogene Meßwerte abgelegt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur
Ermittlung des Verlaufs der Gleistrasse aus der Differenz der
Fahrstrecken am bogeninneren Gleis und am bogenäußeren Gleis
der Bogenradius der Gleistrasse im Bereich des in Fahrtrichtung
ersten Drehgestell ermittelt wird und daß die fortlaufend
zumindest für den zwischen dem ersten und letzten Drehgestell
liegenden Streckenabschnitt bestimmten Werte als
koordinatenbezogene Meßwerte abgelegt werden.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur
Ermittlung des Verlaufs der Gleistrasse aus der Querbeschleu
nigung, der Neigung und der Fahrgeschwindigkeit des Wagen
kastens der aktuelle Bogenradius der Gleistrasse am ersten
Drehgestell ermittelt wird und daß die fortlaufend zumindest
für den zwischen dem ersten und dem letzten Drehgestell
liegenden Steckenabschnitt bestimmten aktuellen Werte als
koordinatenbezogene Meßwerte abgelegt werden.
6. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch
gekennzeichnet, daß zur ermittelten Sollstellung zugehörige
Sollwertsignale für den Knickwinkel zwischen den Längsachsen
der benachbarten Wagenkästen bestimmt werden.
7. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch
gekennzeichnet, daß zur ermittelten Sollstellung zugehörige
Sollwertsignale für den Verdrehwinkel zwischen Drehgestell und
zugehörigem Wagenkasten bestimmt werden.
8. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch
gekennzeichnet, daß für die Iststellung der aktuelle
Knickwinkel zwischen den Längsachsen der Wagenkästen in
Istwertsignale umgesetzt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch
gekennzeichnet, daß für die Iststellung der aktuelle
Verdrehwinkel zwischen Drehgestell und zugehörigem Wagenkasten
gemessen und in Istwertsignale umgesetzt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 6 oder einem der folgenden,
dadurch gekennzeichnet, daß die Istwertsignale mit den
Sollwertsignalen verglichen werden und daß bei einer vom
jeweiligen Sollwertsignal weglaufenden Änderung des zugehörigen
Istwertsignals wenigstens eine dem Knickgelenk bzw. Drehgestell
zugeordnete steuerbare Aktoranordnung aktiviert wird, die einer
weitergehenden gleichsinnigen Änderung des Istwertsignals
entgegenwirkt.
11. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 6 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, daß die Istwertsignale mit den
zugehörigen Sollwertsignalen verglichen werden und daß bei
einer Abweichung der Istwertsignale vom zugehörigen Soll
wertsignal wenigstens eine dem Knickgelenk bzw. dem Drehgestell
zugeordnete steuerbare Aktoranordnung aktiviert wird derart, daß
der Istwert zum zugehörigen Sollwert hingeführt wird.
12. Schienenfahrzeug zur Durchführung des Verfahrens nach
Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet,
daß am Knickgelenk (8) oder zwischen den benachbarten
Wagenkästen (1, 2, 3) ein Knickwinkelgeber (9) und zumindest
zwischen dem ersten Drehgestell (4) und dem zugehörigen
Wagenkasten (1) ein Verdrehwinkelgeber (6) angeordnet ist, daß
diese Winkelgeber (9, 6) Istwertsignale (K, V) abgeben, die einer
Steuereinheit (7) zugeführt werden, welche in einem ersten
Steuerschritt aus den Istwertsignalen (K, V) der Winkelgeber
(9, 6) und den geometrischen Abmessungen zwischen Knickgelenk
(8) und benachbarten Drehgestellen (4) eine Abbildung des
aktuell befahrenen Gleistrassenabschnitts generiert und
speichert sowie aus dieser Trassierung auf der Basis der
geringsten Energie der Sekundärfederelemente (5) für den
statischen Betrieb der Wagenkästen (1, 2, 3) Sollwertsignale für
den Knickwinkel sowie die Verdrehwinkel generiert und welche
die Istwertsignale (K, V) mit den zugehörigen Sollwertsignalen
vergleicht, daß am Knickgelenk (8) oder zwischen den
benachbarten Wagenkästen (1, 2, 3) und/oder zwischen Drehgestell
(4) und zugehörigem Wagenkasten (1, 2, 3) zumindest eine
steuerbare Aktoranordnung (10, 11) vorgesehen ist und daß die
Aktoranordnung (10, 11) mittels der Steuereinheit (7) abhängig
vom Vergleich von Ist- und Sollwertsignalen gesteuert wird.
13. Schienenfahrzeug nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,
daß die Aktoranordnung (10, 11) eine steuerbare Dämpferanordnung
ist.
14. Schienenfahrzeug nach Anspruch 12 oder 13, dadurch
gekennzeichnet, daß die Aktoranordnung (10, 11) zwei symmetrisch
zum Knickgelenk (8) und/oder je zwei symmetrisch zu den
Drehgestellen (4) angeordnete Dämpferelemente aufweist, deren
Charakteristik gesteuert wird derart, daß der Istwert der
Wagenkastenstellung dem Sollwert angenähert wird.
15. Schienenfahrzeug nach Anspruch 12 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet,
daß am ersten Wagenkasten (1) oder ersten Drehgestell (4) ein Wegstreckengeber angeordnet
ist, der zu differentiellen Gleisstreckenabschnitten gesonderte Signale generiert, daß zu diesen
Gleisstreckenabschnitten die jeweils geänderten Koordinatenwerte ermittelt werden und daß zu
den Gleisstreckensignalen die zugehörigen Koordinatenwerte der Gleisstreckenabschnitte in
einer Speichereinheit der Steuereinheit (7) als Streckenverlauf des aktuell zwischen erstem (4)
und letztem Drehgestell liegendem Streckenabschnitt abgelegt werden.
16. Schienenfahrzeug nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (7)
aus dem jeweils aktuellen Knickwinkel-Istwertsignal (K) sowie den vorgegebenen mechanischen
Abständen zwischen dem Koppelgelenk und den Drehgestellen (4) der benachbarten
Wagenkästen (1, 2, 3) unter Einbeziehung des Verdrehwinkels des Drehgestells (4) gegenüber
dem zugehörigen Wagenkasten (1, 2, 3) den aktuellen Bogenradius des differentiellen
Gleisstreckenabschnitts am ersten Drehgestell (4) und daraus die aktuellen Koordinaten
desselben bestimmt.
17. Steuereinrichtung für ein Schienenfahrzeug nach Anpruch 12 oder einem der folgenden,
dadurch gekennzeichnet, daß in einer Steuereinheit (7) ein Algorithmus zur Bestimmung einer
auf einen vorbestimmten Gleistrassenabschnitt bezogenen, aus dem Istwert von Knickwinkel (K)
und/oder Verdrehwinkel (V) abgeleiteten, in den Sekundärfedern gespeicherten Minimalenergie
abgelegt ist, und daß die Steuereinheit (7) Sollwerte für Knickwinkel und/oder Verdrehwinkel
generiert und eine Aktoranordnung steuert, die der Istwertabweichung entgegenwirkt.
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