DE19820865A1

DE19820865A1 - Active suspension system for railway carriage

Info

Publication number: DE19820865A1
Application number: DE1998120865
Authority: DE
Inventors: Joachim Lueckel; Karl-Peter Jaeker
Original assignee: JAEKER KARL PETER
Current assignee: JAEKER KARL PETER
Priority date: 1998-05-09
Filing date: 1998-05-09
Publication date: 1999-11-18

Abstract

No passive damping devices, i.e. no hydraulic or friction damping devices for sec. suspension, are used to provide a suspension for the carriage carcass (5).

Description

field of use

Die Erfindung betrifft ein Abstützsystem entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a support system according to the preamble of claim 1.

State of the art

Die Erfindung bezieht sich auf ein Abstützsystem (aktives Federungssystem), das die wesentlichen zwei Massen eines Bahnwaggons bzw. Triebkopfes (Wagenkasten und Drehgestell bzw. Achsen) verkoppelt und den Wagenkasten federt und dämpft. Solche Federungssysteme sind bekannt [1], [2], [3].The invention relates to a support system (active suspension system) that the essentially two masses of a railway wagon or power car (body and bogie or axles) coupled and the car body springs and dampens. Such suspension systems are known [1], [2], [3].

Disadvantages of the prior art

Bei diesen bekannten Abstützsystemen werden zusätzlich zur Luftfederung und zu aktiven pneumatischen Aktuatoren noch passive hydraulische Dämpfer eingesetzt, d. h. näherungsweise geschwindigkeitsproportionale Kräfte generiert; dies gilt auch für hydropneumatische Federbeine, die ebenfalls solche Kräfte erzeugen können. Die meist hydraulisch erzeugten Kräfte zur Dämpfung der Wagenkastenbewegung verschlechtern aber den Fahrkomfort im oberen Frequenzbereich beträchtlich gegenüber einer Federung ohne Dämpfer. Eine Verbesserung des Fahrkomforts ist somit nur im unteren Frequenzbereich bis zu Frequenzen von ca. 8 Hz realisierbar.These known support systems are used in addition to air suspension and active pneumatic actuators still passive hydraulic dampers used, d. H. approximately forces proportional to speed are generated; This also applies to hydropneumatic struts that can also generate such forces. The most hydraulically generated forces for damping the body movement deteriorate the driving comfort in the upper frequency range considerably compared to a suspension without Damper. An improvement in driving comfort is therefore only in the lower frequency range up to Frequencies of approx. 8 Hz can be realized.

Object of the invention

Der Erfindung (Bild 1) liegt die Aufgabe zugrunde, den Nachteil heutiger Abstützsysteme mit passiven Dämpfern zu vermeiden. Um den Fahrkomfort deutlich zu verbessern, wird bei der Erfindung auf passive Dämpfer bzw. passiv erzeugte Dämpferkräfte vollständig verzichtet, sowohl in vertikaler wie auch in beiden horizontalen Richtungen, so daß vom Drehgestell 4 auf den Wagenkasten 5 erheblich weniger Kräfte vor allem im oberen Frequenzbereich übertragen werden, d. h. der Wagenkasten 5 wird schwingungstechnisch weitgehend entkoppelt. Die notwendige Dämpfung und Führung des Wagenkastens wird über aktive Steller realisiert, d. h. mittels Aktoren 1 am Fußpunkt einer Luftfeder 3. Die Aktoren 1 erhalten von einer geeigneten Regelung die dazu notwendigen Ansteuersignale. Die Regelung erhält notwendige Informationen z. B. aus Messungen der Relativwege zwischen Wagenkasten und Drehgestellen bzw. Achsen. Weitere Messungen können herangezogen werden.The invention ( Figure 1) is based on the object of avoiding the disadvantage of today's support systems with passive dampers. To significantly improve driving comfort, passive dampers or passively generated damper forces are completely dispensed with in the invention, both in vertical and in both horizontal directions, so that considerably less forces are transmitted from the bogie 4 to the body 5 , especially in the upper frequency range are, ie the car body 5 is largely decoupled in terms of vibration. The necessary damping and guidance of the car body is realized via active actuators, ie by means of actuators 1 at the base of an air spring 3 . The actuators 1 receive the necessary control signals from a suitable control. The regulation receives necessary information e.g. B. from measurements of the relative paths between the body and bogies or axles. Further measurements can be used.

Solution of the task

Die Aufgabe wird durch ein Abstützsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. The object is achieved by a support system with the features of claim 1.

Advantages of the invention

Die Erfindung (Bild 1) hat den Vorteil, den Fahrkomfort deutlich zu verbessern, da bei der Erfindung auf passive Dämpfer bzw. passiv erzeugte Dämpferkräfte vollständig verzichtet wird, sowohl in vertikaler wie auch in beiden horizontalen Richtungen, so daß vom Drehgestell 4 auf den Wagenkasten 5 erheblich weniger Kräfte vor allem im oberen Frequenzbereich übertragen werden, d. h. der Wagenkasten 5 wird schwingungstechnisch weitgehend entkoppelt. Die notwendige Dämpfung und Führung des Wagenkastens wird über aktive Steller realisiert, d. h. mittels Aktoren 1 am Fußpunkt einer Luftfeder 3. Die Aktoren 1 erhalten von einer geeigneten Regelung die dazu notwendigen Ansteuersignale. Die Regelung erhält notwendige Informationen z. B. aus Messungen der Relativwege zwischen Wagenkasten und Drehgestellen bzw. Achsen. Weitere Messungen können herangezogen werden.The invention ( Figure 1) has the advantage of significantly improving driving comfort, since the invention completely dispenses with passive dampers or passively generated damper forces, both in vertical and in both horizontal directions, so that from the bogie 4 to the body 5 considerably less forces are transmitted, especially in the upper frequency range, ie the body 5 is largely decoupled in terms of vibration. The necessary damping and guidance of the car body is realized via active actuators, ie by means of actuators 1 at the base of an air spring 3 . The actuators 1 receive the necessary control signals from a suitable control. The regulation receives necessary information e.g. B. from measurements of the relative paths between the body and bogies or axles. Further measurements can be used.

Der zweite Vorteil der Erfindung liegt darin, daß ohne zusätzliche Aktoren eine aktive Neigetechnik realisiert werden kann, die zum einen verhindert, daß der Wagenkasten bei Kurvenfahrt sich aus der Schienenmitte bewegt, und zum anderen den Wagenkasten soweit neigt, so daß die auf die Insassen wirkende Querbeschleunigung kompensiert oder zumindest gemindert wird.The second advantage of the invention is that an active without additional actuators Tilting technology can be implemented, which on the one hand prevents the car body from Cornering moves from the middle of the rail, and on the other hand the car body as far tends so that the lateral acceleration acting on the occupants is compensated, or at least is reduced.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, daß mittels der Aktoren die Verschiebung der Luftfedern beim Durchfahren von Gleisbögen ausgeglichen werden kann. Dadurch können Drehgestelle besser enge Radien fahren.Another advantage of the invention is that by means of the actuators, the displacement of the air springs can be compensated when driving through bends. This allows bogies better to drive tight radii.

Diese Aufgaben werden gemäß der Erfindung bei einem gattungsgemäßen Fahrzeug- Abstützsystem durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs gelöst.These objects are achieved according to the invention in a generic vehicle Support system solved by the characterizing features of the main claim.

drawing

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung (Bild 1) dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.An embodiment of the invention is shown in the drawing ( Figure 1) and explained in more detail in the following description.

Description of the embodiment

Das Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von bisherigen aktiven und passiven Wagenkastenfederungen (sogenannten Sekundärfederungen) vor allem dadurch, daß keine passiven, in der Regel hydraulische, Schwingungsdämpfer verwendet werden und die notwendige Schwingungsdämpfung über eine aktive Verstellung der Fußpunkte 3 geeigneter Federelemente 2 und 3 (z. B. Luftfedern für Schienenfahrzeuge wie Gürtelrollbälge, Halbrollbälge etc.) mittels geeigneter Aktoren 1 (hier Hydraulikzylinder) realisiert wird. Zur aktiven Verstellung der Fußpunkte 3 werden die Bewegungen des Wagenkastens 5 relativ zu den Drehgestellen bzw. Radsätzen 4 gemessen, und über eine geeignete Regelung werden dann die Sollwege für die Aktoren 1 zur Fußpunktverstellung vorgegeben.The embodiment differs from previous active and passive car body suspensions (so-called secondary suspensions) mainly in that no passive, usually hydraulic, vibration dampers are used and the necessary vibration damping via an active adjustment of the base points 3 suitable spring elements 2 and 3 (e.g. Air springs for rail vehicles such as belt roll bellows, half roll bellows etc.) are realized by means of suitable actuators 1 (here hydraulic cylinders). For the active adjustment of the base points 3 , the movements of the car body 5 are measured relative to the bogies or wheel sets 4 , and the target paths for the actuators 1 for base point adjustment are then specified via a suitable control.

Zur Verbesserung der Regelung können weitere Meß- und Informationsgrößen herangezogen werden, wie z. B. Quer- und Längsbeschleunigungen, der Schienenverlauf etc.Further measurement and information variables can be used to improve the control be such. B. lateral and longitudinal accelerations, the course of the rails, etc.

Die Aktoren 1 je Federelement 1 und 2 sind so mit dem Fußpunkt (in der Regel der Kolben 3) verbunden, daß dieser nicht wegkippen bzw. sich wegdrehen kann. Die Federelemente müssen in drei Bewegungsrichtungen (quer, längs, vertikal) eine gewisse Steifigkeit aufweisen, damit der Wagenkasten 5 aktiv geführt und gedämpft werden kann. The actuators 1 per spring element 1 and 2 are connected to the base point (usually the piston 3 ) in such a way that it cannot tip away or turn away. The spring elements must have a certain stiffness in three directions of movement (transverse, longitudinal, vertical) so that the car body 5 can be actively guided and damped.

Bei Ausfall der Regelung bzw. der Aktoren 1 gewährleisten die Federelemente 2 und 3 einen Notlaufbetrieb, der noch durch zuschaltbare Dämpfungselemente (in Bild 1 nicht eingezeichnet) verbessert werden kann.In the event of a failure of the control or the actuators 1 , the spring elements 2 and 3 ensure emergency operation, which can still be improved by using damping elements (not shown in Figure 1).

Die Aktoren 1 des Ausführungsbeispiels können z. B. durch Hydraulikzylinder oder elektrische Linearantriebe realisiert werden. Die Aktoren in Längsrichtung können auch entfallen, da über den Antrieb der Wagenkasten in Längsrichtung aktiv gedämpft werden kann.The actuators 1 of the embodiment can, for. B. can be realized by hydraulic cylinders or electric linear drives. The actuators in the longitudinal direction can also be omitted, since the car body can be actively damped in the longitudinal direction via the drive.

Das Abstützsystem kann nicht nur in der im Ausführungsbeispiel gezeichneten Kombination von Drehgestell 4 und Wagenkasten 5 realisiert werden, sondern z. B. auch in Kombination mit sogenannten Jacobs-Drehgestellen, Einzelachsen oder auch Losradsätzen.The support system can be realized not only in the combination of bogie 4 and car body 5 shown in the embodiment, but z. B. also in combination with so-called Jacobs bogies, single axles or idler gear sets.

Mode of action

Da bei der Erfindung auf Dämpfer verzichtet wird, müssen erforderliche Dämpferkräfte über die Aktoren 1 erzeugt werden. Dämpferkräfte sind geschwindigkeitsabhängig (oft geschwindigkeitsproportional), d. h. über die Fußpunktverstellung des Federelementes 2 bis 3 müssen die Aktoren 1 von der Geschwindigkeit abhängige Kräfte stellen können. Übliche Dämpfer stellen geschwindigkeitsabhängige Kräfte bis zu Frequenzen von über 50 Hz, mit dem Nachteil, daß der Fahrkomfort und die akustische Entkopplung verschlechtert werden. Notwendig sind zur Dämpfung des Wagenkastens 5 aber nur Dämpferkräfte bis ca. 5. Hz. Dies wird z. B. durch entsprechende Filter oder andere Maßnahmen in der Regelung sichergestellt. Zur Erzeugung der notwendigen Dämpferkräfte werden die Aktoren 1 des Abstützsystems im Fahrbetrieb entsprechend einem Regelgesetz, das in einer Elektronik als Regeleinrichtung realisiert wird, beaufschlagt. Das Regelgesetz kann neben den notwendigen Dämpferkräften auch weitere für den Fahrbetrieb notwendige Kräfte generieren, z. B. solche, die zur Kompensation von Kräften bei Kurvenfahrt, bei Anfahr- und Bremsmanövern oder zur Neigung des Zuges bei Kurvenfahrt benötigt werden.Since dampers are dispensed with in the invention, the required damper forces have to be generated via the actuators 1 . Damper forces are speed-dependent (often speed-proportional), ie the actuators 1 must be able to set forces dependent on the speed by adjusting the base point of the spring element 2 to 3 . Usual dampers provide speed-dependent forces up to frequencies of over 50 Hz, with the disadvantage that the driving comfort and the acoustic decoupling are deteriorated. However, only damping forces of up to approx. 5. Hz are necessary for damping the car body 5 . B. ensured by appropriate filters or other measures in the scheme. To generate the necessary damper forces, the actuators 1 of the support system are acted upon while driving in accordance with a control law which is implemented in electronics as a control device. In addition to the necessary damper forces, the control law can also generate other forces necessary for driving, e.g. B. those that are required to compensate for forces when cornering, when starting and braking maneuvers or to tilt the train when cornering.

Für die Regelung werden als Rückführgrößen oder Aufschaltgrößen mehrere gemessene oder beobachtete Größen verwendet, die den Bewegungszustand von Achse bzw. Drehgestell 4 und Wagenkasten 5 oder Störungs- und Führungsgrößen kennzeichnen. Diese Größen sind z. B.:
For the control, several measured or observed variables are used as feedback variables or feedforward variables which characterize the state of motion of the axle or bogie 4 and car body 5 or fault and command variables. These sizes are e.g. B .:

- Relative paths and / or relative speeds between axle / bogie 4 and car body 5
- Accelerations of axles / bogies 4 and car body 5
- Forces of the support system
- Press in the actuators 1
- Position and speed of the train
- longitudinal, lateral and vertical acceleration of the train

Durch die Verwendung eines aktiven Abstützsystems ergibt sich die Möglichkeit, innerhalb der bestehenden Systemgrenzen nahezu beliebige Kraftgesetze zwischen Achse/Drehgestell 4 und Wagenkasten 5 wirken zu lassen. Auf diese Weise wird die Wagenkastenmasse weitgehend dynamisch von den Achsen bzw. Drehgestellen 4 entkoppelt und demzufolge eine wesentlich stärker komfortorientierte Federung realisiert. By using an active support system, it is possible to let almost any force laws act between the axle / bogie 4 and car body 5 within the existing system limits. In this way, the body mass is largely dynamically decoupled from the axles or bogies 4 and consequently a much more comfort-oriented suspension is realized.

Reference list

11

Aktoren zur Fußpunktverstellung (hydraulisch, elektrisch oder pneumatisch realisierbar)
Actuators for adjusting the base point (can be implemented hydraulically, electrically or pneumatically)

22nd

Luftfederbälge
Air bellows

33rd

Luftfederunterteile (Kolben); senkrechte Aktoren sind oben mit den Luftfederunterteilen fest verbunden; alle anderen Lagerstellen der Aktoren sind drehbar gelagert
Air spring lower parts (pistons); vertical actuators are firmly connected to the air spring lower parts; all other bearings of the actuators are rotatably mounted

44th

Drehgestellrahmen bzw. Radsatzführung
Bogie frame or wheelset guide

55

Wagenkasten
Car body

literature

[1] Nagai, M.; Mori, H.; Nakadai, S.: Active Vibration Control of Electrodynamic Suspension System. JSME International Journal, Series c, Vol. 38, No. 1, 1995.
[2] Sinha, P. K.; Wormley, D. N.; Hedrick, J. K.: Rail Passanger Vehicle Lateral Dynamic Performance Improvement Through Active Control. ASME publication, 78-WA/DSC-14, September 1979
[3] Goodall; Roger: Active Railway Suspensions: Implementation State and Technological Trends. Vehicle System Dynamics, 28 (1997), pp. 87-117.[1] Nagai, M .; Mori, H .; Nakadai, S .: Active Vibration Control of Electrodynamic Suspension System. JSME International Journal, Series c, Vol. 38, No. 1, 1995.
[2] Sinha, PK; Wormley, DN; Hedrick, JK: Rail Passanger Vehicle Lateral Dynamic Performance Improvement Through Active Control. ASME publication, 78-WA / DSC-14, September 1979
[3] Goodall; Roger: Active Railway Suspensions: Implementation State and Technological Trends. Vehicle System Dynamics, 28 (1997), pp. 87-117.

Claims

1. Vehicle support system, which is arranged between an axle or a bogie ( 4 ) and a car body ( 5 ) (or two car bodies in the so-called Jacobs bogie) and which is designed as an active (fully or partially active) system, thereby characterized in that no passive dampers (no hydraulic dampers or friction dampers for the secondary suspension) are used to dampen the body ( 5 ).

2. Vehicle support system according to claim 1, characterized in that the necessary damping and management for the car body ( 5 ) by actuators ( 1 ) at the base of an air spring (piston z. B. a bellows or belt roll bellows) are provided.

3. Vehicle support system according to claim 1, characterized in that input signals for the actuators ( 1 ) are generated by a control device so that suitable damping and managers for the car body are generated.

4. Vehicle support system according to claim 1, characterized in that the relative paths or the relative speeds between the car body ( 5 ) and the axle or bogie ( 4 ) are used as feedback variables for the control.

5. Vehicle support system according to claim 1, characterized in that the accelerations of the body ( 5 ) and axle or bogie ( 4 ) are used as feedback variables for the control.

6. Vehicle support system according to claim 1, characterized in that the forces of the actuators ( 1 ) between the car body ( 5 ) and the axle or bogie ( 4 ) are used as feedback variables for the control.

7. Vehicle support system according to claim 1, characterized in that as a return or Activation variables for the control of the longitudinal, transverse and vertical accelerations of the Zuges be used.

8. Vehicle support system according to claim 1, characterized in that as a return or Activation variables used for regulating the position and speed of the train become.

9. Vehicle support system according to one of claims 1 to 8, characterized in that the support system can be used to curve the train.

10. Vehicle support system according to one of claims 1 to 8, characterized in that the support system by means of the actuators the displacement of the air springs when driving through can compensate for track arches.