DE19702409A1 - Verfahren zur Erkennung der Position von Rädern spurgeführter Fahrzeuge im Spurkanal - Google Patents

Description

Es ist bekannt, daß der Einsatz von konventionellen Drehgestellen bei spurgeführten Transportsystemen - Schienenfahrzeugen - konstruktiv zu einer Fußbodenhöhe des Fahrzeugs führt, die aus vielen Gründen heute oft als zu hoch empfunden wird. Der von Betreibern wie Nutzern von Stadtbahnen geforderte Niederflurwagen mit durch­ gängigem niedrigen Wagenboden erlaubt keine Radsätze mit festen Radsatzwellen, insbesondere nicht in Drehgestellen, sondern sollte auf gelenkten Losrädern laufen.

Gemäß dem Stand der Technik haben bekannte Niederflurfahrzeuge entweder ge­ teilte Radsatzwellen (Bremer/AEG Bauart) oder Antriebsdrehgestelle in konventio­ neller Bauart mit Laufwerken in Einzelrad-Ausführung. Die ABB-Lösung Vario-Bahn hat zwar Einzelräder mit Radnabenmotoren, die aber weitgehend fest in einem Rahmen geführt sind. Die Fußbodenhöhe ist bisher entweder auf minimal 350 mm über SO zu konzipieren oder es wird ein gestufter Wagenboden gewählt.

Aktiv gelenkte Räder könnten diese Problematik lösen, sind aber bisher weder als Laufräder noch als angetriebene Räder realisiert, bedeuten sie doch eine völlige Abkehr von dem bisher in der Schienenfahrzeugtechnik verfolgten Grundsatz des sich selbst im Spurkanal einstellenden Radsatzes.

Das Konzept aktiv gelenkter Räder scheitert bisher an dem Nichtvorhandensein ei­ ner Technologie, die den Verlauf der Gleise zuverlässig unter allen Witterungsbedin­ gungen erkennt, die Lücken im Herzstück von Weichen richtig erkennt und nicht fehldeutet und die Lenkfunktion des Radsatzes übernimmt.

Die bisher realisierten Konzepte gelenkter Räder und Radsätze leiden unter dem Effekt, daß sie erst der Relativbewegung zwischen Fahrwerk und Wagenkasten fol­ gend die Räder nachführen und damit die Wagenkastenbewegung erst einsetzt, wenn das erste Rad paar durch die Schiene quer bewegt wurde und im Extremfall die Spurkränze bereits seitlich anlaufen.

Die genannten Probleme werden durch die in den Patentansprüchen aufgeführten Merkmale gelöst. Diese sind gekennzeichnet durch, daß das Abweichen der auf die Lager der ersten Ebene wirkenden Momente/Kräfte von einem Normalwert als Signal für die Abweichung der Position des Rades/Radsatzes aus der Mittelstellung im Spurkanal und somit für die Erkennung des Radlaufes genutzt wird. Je weiter sich das Rad im Spurkanal aus der Mittelstellung entfernt, umso größer wird das Biege­ moment auf die Achse, das aber technisch mit vertretbarem Aufwand nicht befriedi­ gend gut meßbar ist. Die Radaufstandskraft bewirkt jedoch auch eine Belastung des Lagers mit einem Moment, daß der Masse des Fahrzeugs ("Kraft") und dem Abstand zwischen Lager und Aufstandspunkt Rad-Schiene ("Hebelarm") proportional ist.

Durch eine geeignete konstruktive Integration des Lagers in das Fahrgestell können nun die auf das Lager wirkenden Momente einfach durch eine Messung der lokalen momentenabhängigen Verformung der Lagerumgebung über Dehnungsmeßstreifen ermittelt werden und somit entfällt eine Messung auf der rotierenden Welle oder im Lager selbst.

Losräder

Zwischen den Aufstandspunkten Rad/Schiene im Spurkanal und der Lagerung der Räder zur nächst höheren Ebene werden die Momente gemessen. Ein Abweichen von dem Wert, der die Mittelstellung im Spurkanal charakterisiert, zeigt an, daß die Radaufstandspunkte für das rechte und linke Radpaar unterschiedlich sind und damit eine Abweichung von der Mittellage im Spurkanal vorliegt, die durch einen re­ gelungstechnischen Eingriff minimiert werden muß. Die zu erwartende Abweichung vom Wert der Mittelstellung ist durch eine gewählte Geometrie der Lageranordnung zu dem zugehörigen Aufstandspunkt hinreichend und gut meßbar.

Die unterschiedlichen Momente und Kräfte werden jeweils verursacht durch

• 1. eine sich nach rechts oder links vollziehende Bewegung,
• 2. unterschiedliche Beladungszustände,
• 3. Querneigung des Gleises,
• 4. Zentrifugal- oder Zentripetalkräfte,
• 5. dynamische Kräfte, hervorgerufen durch Störstellen, wie z. B. Weichen.

Die Ergänzung der Kraft-/Momentenmessung am Radlager durch eine zusätzliche inertiale Messung der Querbeschleunigungen und Querkräfte sowie der Dreh raten um Längs- und Hochachse des Wagens zeigt bei bekannter Geschwindigkeit an, ob es sich bei der Veränderung der Lagermomente ursächlich um eine Querneigung des Fahrzeuges der Gleisgeometrie folgend (Gleislagefehler oder Kurvenüberhö­ hung), um Zentrifugalkräfte, um eine unterschiedliche Lastverteilung oder um andere Störeinflüsse wie beispielsweise Herzstücke von Weichen handelt.

Aus diesen Eingangsgrößen ist eine dem Schienenverlauf folgende Regelung der Radstellung mit jedem beliebigen künstlichen Wellenlauf möglich, da ein Anlaufen eines Rades am zugehörigen Lager eine Zunahme des Wellenmomentes bewirkt.

Radsätze

Vereinfachend gegenüber Losradfahrwerken ist bei Fahrwerken mit Radsätzen durch den Sinuslauf profilierter Räder ein Fail-Safe-Element vorhanden. Die prinzi­ pielle Meßwertgenerierung und die auf das Fahrwerk einwirkenden Kräfte sind bei gelenkten Radsätzen mit denen der Losräder identisch.

Inertiale Meßtechnik auf jedem Radsatzlager der ersten Ebene zeigt außerdem beim Wellenlauf das Wenden des Radsatzes, die Drehung um die Hochachse, an.

Die Ergänzung der Messung der reaktiven Kräfte der Räder an einem Stellglied durch zusätzliche Winkelgeber und direkte ϕ_z-Messung der Lenkbewegung ω_z ein­ schließlich der überlagerten Querbeschleunigung a_y erlaubt eine Korrektur der Lenk­ bewegung mit dem Ziel der Optimierung der Einstellung und der Minimierung der durch Störgrößen verursachten Rotation des Radsatzes um die Hochachse. Diese zusätzliche Messung erlaubt eine sicherheitstechnisch höherwertige Regelung, die eine von der Bewegung des Wagenkastens und vom Sinuslauf (Wellenlauf) des Rades abweichende Eigenrotation mit ω_z ausschließt.

Eine aktive Radsatzsteuerung kann durch die Detektion des Wellenlaufes und die Neigung der Welle zur Horizontalen, verbunden mit einer Aufnahme der Beschleuni­ gungen in Querrichtung, erfolgen. Damit wäre durch eine aktive Steuerung in der Geraden ein stark gestreckter Wellenlauf erreichbar. In Kurven wird mit dem Registrieren der Querbeschleunigung und der Erkennung der Verschiebung aus der Ho­ rizontalen die Optimierung der Stellung des Radsatzes auf minimalen Verschleiß und maximale Haftwertausnutzung (Tangentialstellung und Reduzierung des Wendens auf das aus Verschleißminimierung erforderliche Minimalmaß) erreicht. Damit würde ein wesentlicher Beitrag zum wirtschaftlichen, verschleißarmen Fahren geleistet.

Claims (4)

1. Verfahren zur Erkennung der Position von Rädern spurgeführter Fahr­ zeuge im Spurkanal, dadurch gekennzeichnet, daß das Abweichen der auf die Lager der ersten Ebene wirkenden Mo­ mente bzw. Kräfte von einem Normalwert als Signal für die Abweichung der Position des Rades/Radsatzes aus der Mittelstellung im Spurkanal für die Erkennung des Radlaufes genutzt wird.

2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die nach Patentanspruch 1 ermittelte Abweichung der Position des Rades/Radsatzes aus der Mittelstellung im Spurkanal als Signal für eine Regelung des Radlaufes im Spurkanal genutzt wird.

3. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraft-/Momentenmessung am Radlager durch eine zusätzliche inertiale Messung der Beschleunigungen und Drehraten/Winkel anzeigt, ob es sich bei der Veränderung der Kräfte/Momente ursächlich um Quer­ neigung des Fahrzeuges der Gleisgeometrie folgend (Gleislagefehler oder Kurvenüberhöhung), um Zentrifugalkräfte (Kurvenfahrt), um eine unter­ schiedliche Lastverteilung oder eine Abweichung der Position des Rades/ Radsatzes aus der Mittelstellung im Spurkanal handelt.

4. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine geeignete konstruktive Anordnung der Radlager bzw. Radlagersätze im Fahrgestell die entsprechenden durch die Position des Rades im Spurkanal erzeugten Momente aufgrund der Verformung der Lagerorte über Dehnungsmeßstreifen meßtechnisch erfaßt werden kön­ nen.