DE19861086B4

DE19861086B4 - Verfahren zur Achsausrichtung bei Schienenfahrzeugen

Info

Publication number: DE19861086B4
Application number: DE19861086A
Authority: DE
Inventors: Markus Dipl.-Ing. Koch; Frank Dipl.-Ing. Hentschel; Günther Dipl.-Phys. Himmelstein; Rolf Dipl.-Ing. Krouzilek
Original assignee: Bombardier Transportation GmbH
Current assignee: Alstom Transportation Germany GmbH
Priority date: 1998-06-13
Filing date: 1998-06-13
Publication date: 2004-04-15
Anticipated expiration: 2018-06-14
Also published as: HUP0003302A2; HU222388B1; DE19861086A1; WO1999065751A1; PL337851A1; NO995807L; EP1003661A1; EP1003661B1; PL197048B1; HUP0003302A3; NO320337B1; IL134496A; DE59911399D1; US6571178B1; EP1003661B2; IL134496A0; NO995807D0

Abstract

Verfahren zur lenkenden Ausrichtung von drehbar an einem Fahrwerk befestigten Rädern eines Schienenfahrzeugs in einem Gleis, wobei der Soll-Lenkwinkel der Räder in Abhängigkeit von der Gleiskrümmung des Gleises bestimmt wird und die Räder entsprechend dem Soll-Lenkwinkel gelenkt werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Soll-Lenkwinkel (γsoll) nach der Beziehung γsoll = ½ χ b bestimmt wird,
worin
γsoll der Soll-Lenkwinkel der Räder,
χ die Gleiskrümmung und
b der Abstand zwischen den beiden Achsen des Fahrwerks ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur lenkenden Ausrichtung einer drehbar an einem Fahrwerkrahmen befestigten Achse eines Schienenfahrwerkes nach der Gleiskrümmung.
Insbesondere im Nahverkehr kommen überwiegend Schienenfahrzeuge mit zweiachsigen Fahrwerken zum Einsatz. Dabei führen enge Kurven, die oftmals durch den Straßenverlauf vorgegeben sind, zu einer schlechten Kurvengängigkeit von mehrachsigen Fahrwerken. Dies ist vornehmlich bei Schienenfahrzeugen zu beobachten, deren Räder hinsichtlich ihrer Gierbewegung starr mit dem Fahrwerksrahmen verbunden sind.
Eine Lösung dieses Problems wird dadurch erzielt, daß die Achse bzw. die Räder lenkbar im Fahrwerkrahmen gelagert sind. Durch eine Vorrichtung zum Ausrichten der Achse bzw. der Räder kann eine Lenkbewegung entsprechend der Gleiskrümmung erfolgen.

Aus der DE 195 38 379 C1 ist ein zweirädriges Fahrwerk mit Einzelradantrieb für spurgeführte Fahrzeuge mit gesteuerter Lenkung bekannt, bei dem das Fahrwerk pro Radträger zwei jeweils außerhalb der Radaufstandspunkte befindliche vertikale Schwenkachsen aufweist, wobei abwechselnd – unter Arretierung der Position der aktuell bogenäußeren Schwenkachse – der Radträger um genau diese arretierte Achse geschwenkt wird.

Aus der DE 92 19 042 U1 ist ein Verfahren zur Kurvenerkennung bekannt, das die Gleiskrümmung durch Induktivtaster bestimmt.

Aus der DE 41 14 860 C1 ist ein Verfahren zum Betrieb eines schienengebundenen Fahrzeuges mit einzelnen aufgehängten Laufrädern und digitaler Spurführung bekannt. Bei diesem Verfahren wird zur lenkenden Ausrichtung von drehbar an einem Fahrwerk befestigten Rädern eines Schienenfahrzeugs entsprechend der Krümmung eines Gleises die Gleiskrümmung mittels zweier Triangulationssensoren erfaßt, welche die Außenkanten der Schienen des aktuell befahrenen Gleises in einem festgelegten Abstand vor den beiden Rädern des vierrädrigen Fahrwerks abtasten. Entsprechend dem daraus in einem Steuergerät verarbeiteten Messwert wird der Soll-Lenkwinkel für das betreffende Radpaar bestimmt. Die Lenkung dieser Räder erfolgt entsprechend dem so bestimmten Soll-Lenkwinkel, wozu hier Stellmotoren verwendet werden. Für das nachfolgende Radpaar ist der gleiche Aufwand an Erfassungs- und Steuerungsmitteln vorgesehen. Die Erfassung des Gleisverlaufs mittels Triangulationssensoren ist aufwendig und z.B. bei Überdeckung des Gleises mit Schnee untauglich, da dann die opto-elektronischen Triangulationssensoren unwirksam sind. Eine Bestimmung des Soll-Lenkwinkels entsprechend dem Verlauf des Gleises ist dann nicht mehr möglich. Selbst bei fehlender Beeinflussung der Erkennbarkeit des Gleises sind aufgrund von Spurlagefehlern des Gleises, an Weichen und dergleichen sowie durch Eigenschwingungen des Laufwerks Messfehler zu erwarten, die einer zufriedenstellenden Steuerung des Lenkwinkels entgegen stehen.

Weiterhin sind Verfahren bekannt, bei denen die Lenkung der Räder bzw. Achsen passiv erfolgt. Dies kann entweder durch die Spurführungskräfte oder durch eine mechanische Kopplung der Achsstellung mit dem Verdrehwinkel zwischen den Wagenkästen erfolgen. Diese mechanischen Lösungen haben jedoch den Nachteil, daß sie nur eine sehr ungenaue Lenkung ermöglichen.

Eine genaue Ausrichtung ist hingegen nur möglich, wenn die Achse aktiv, z.B. mit einem Servoantrieb, eingestellt wird. Die Regelung des Lenkwinkels, der dem Relativwinkel zwischen Rad bzw. Achse und Fahrwerkrahmen entspricht, erfordert die Vorgabe eines Lenkwinkelsollwerts. Zur Bestimmung des Lenkwinkelsollwertes bedarf es wiederum der Kenntnis der Gleiskrümmung.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur lenkenden Ausrichtung einer drehbar an einem Fahrwerkrahmen befestigten Achse eines Schienenfahrwerks zu schaffen, das eine zuverlässige Bestimmung des Soll-Lenkwinkels für eine Regelung des Lenkwinkels gewährleistet.

Gelöst wird die Aufgabe gemäß Anspruch 1 dadurch, daß die Räder nach einem Soll-Lenkwinkel ausgerichtet werden, der durch Multiplikation der Gleiskrümmung mit dem halben Abstand zwischen den beiden Achsen des Fahrwerks berechnet wird.

Weitere vorteilhafte Maßnahmen sind in den Unteransprüchen beschrieben. Die Erfindung ist in der beiliegenden Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend näher beschrieben; es zeigt:
1 das Verhältnis der Translations- und der Giergeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Krümmung der Schiene;
2 die Abhängigkeit der idealen Winkelstellung der Achse von der Kurvenkrümmung;
3 den Krümmungsverlauf an der Hinterachse im Vergleich zu der Näherung durch das Messverfahren beim Durchfahren einer Gleiskrümmung;
4 den idealen Lenkwinkelverlauf (γ_ideal) im Vergleich mit dem berechneten Soll-Lenkwinkel (γ_soll);
5 den idealen Lenkwinkelverlauf (γ_ideal) im Vergleich mit dem berechneten Soll-Lenkwinkel (γ_soll) nach der Filterung der Giergeschwindigkeit (Ω);
Die 1 und 2 zeigen ein Fahrwerk 10 für ein nicht näher dargestelltes Schienenfahrzeug, mit Achsen 12 und 13, an denen Räder 16 befestigt sind. Die Achsen 12 und 13 sind in dem Fahrwerk 10 befestigt. Das Fahrwerk 10 bzw. die Achsen 12 und 13 sind durch ein zentrisch angeordnetes Gelenk 15 drehbar gelagert.
Das Fahrwerk 10 ist dargestellt, während es mit einer Translationsgeschwindigkeit v einen Gleisbogen 11 durchfährt, der einen Radius R aufweist. Mit Hilfe von Mitteln, die die Giergeschwindigkeit Ω bestimmen, kann der Radius R bzw. die Gleiskrümmung χ berechnet werden. Die Gleiskrümmung χ entspricht hierbei dem Kehrwert des Radius R. Die Division der Giergeschwindigkeit Ω durch die Translationsgeschwindigkeit v ergibt die Gleiskrümmung χ, entsprechend der in 1 dargestellten Gleichung. Der hieraus gewonnene Wert der Gleiskrümmung χ wird zur Lenkung der Achsen 12 bzw. 13 genutzt. Das Verhältnis zwischen der realen und der berechneten Gleiskrümmung χ kann 3 entnommen werden.
Die Giergeschwindigkeit Ω wird vorzugsweise durch einen nicht näher dargestellten Drehraten- oder Kreiselsensor bestimmt, wie er beispielsweise aus der Navigationstechnik bekannt ist.
Da der Abstand zwischen den Spurkränzen der Räder 16 einer Achse 12 bzw. 13 etwas kleiner ist als der Abstand zwischen den Schienen 17, kann sich die Lage der Achse im Spurkanal lateral um einige Millimeter verschieben. Somit können Kraftstöße, die wegen der oft nicht exakten Gleisführung auf das Fahrwerk 10 wirken, zu Gierbewegungen führen.
Diese pendelnden Bewegungen haben jedoch auf die Meßwerte des Kreiselsensors einen nicht unwesentlichen Einfluß. Zur Eliminierung der Wirkung der pendelnden Gierbewegung des Fahrwerks im Gleis wird der Meßwert der Giergeschwindigkeit Ω mittels eines – nicht dargestellten – Tiefpaßfilters geglättet. Die Wirkung des Tiefpaßfilters beim Durchfahren eines Gleisbogens 11 ist 5 zu entnehmen.
Mit Hilfe der so berechneten Gleiskrümmung χ erfolgt die Ausrichtung der Achsen 12 und 13. Dabei dient die Gleiskrümmung χ zur Ermittlung des Soll-Lenkwinkels γ_soll nach dem die Achsen 12 und 13 ausgeregelt werden. Die Einstellung der Achsen 12 und 13 kann z.B. durch einen Servomotor erfolgen.
Der Sinus des Soll-Lenkwinkels γ_soll des – nicht dargestellten – Regelersystems berechnet sich durch Multiplikation der Gleiskrümmung χ mit dem halben Abstand b zwischen den Achsen 12 und 13, entsprechend der Gleichung in 2.
So ergeben sich während des Kurveneinlaufs zwei Näherungen. Die erste Näherung besagt, daß für eine exakte Sollwertberechnung beim Kurveneinlauf sowohl der Krümmungsverlauf an der Vorderachse 12 als auch an der Hinterachse 13 bekannt sein müßte, jedoch wird aufgrund der Fahrwerksdrehung nur ein Wert dazwischen gemessen, wie die 3 zeigt. Außerdem erfolgt eine Näherung bei der Lenkwinkelberechnung während des Kurveneinlaufs, da die geometrische Beziehung nach 2 nur exakt richtig ist, wenn sich beide Achsen 12 und 13 in der Kurve befinden. Die beiden Näherungen heben sich im wesentlichen auf, so daß der berechnete Soll-Wert γ_soll, wie 4 zeigt, sehr gut mit dem idealen Lenkwinkel γ_ideal übereinstimmt.
Weist ein Schienenfahrzeug mehrere Fahrwerke 10 auf, so muß nur der Soll-Lenkwinkel γ_soll, für das in Fahrtrichtung vorderste Fahrwerk ermittelt werden. Die weiteren Fahrwerke können diesen Soll-Lenkwinkel zeitlich versetzt übernehmen. Die Soll-Lenkwinkel γ_soll
1, für die in Fahrrichtung nachfolgenden Fahrwerke werden durch zeitliche Verzögerung Δt aus dem ersten Soll-Lenkwinkel γ_{soll 1} berechnet. Die Verzögerung Δt ergibt sich aus der Division des Abstandes a_i des nachlaufenden Fahrwerks i zum ersten Fahrwerk durch die Translationsgeschwindigkeit v.

10: Schienenfahrzeug-Fahrwerk
11: Gleiskrümmung
1 2: Achse, vorn
13: Achse, hinten
15: Gelenk
16: Rad
17: Schiene
χ: Gleiskrümmung
Ω: Giergeschwindigkeit
v: Translationsgeschwindigkeit
R: Krümmungsradius
γ_soll: Soll-Lenkwinkel
γ_ideal: Ideal-Lenkwinkel
b: Abstand zwischen den Achsen
Δt: zeitliche Verzögerung
a_i: Abstand zwischen dem 1. und dem i-ten Fahrwerk

Claims

Verfahren zur lenkenden Ausrichtung von drehbar an einem Fahrwerk befestigten Rädern eines Schienenfahrzeugs in einem Gleis, wobei der Soll-Lenkwinkel der Räder in Abhängigkeit von der Gleiskrümmung des Gleises bestimmt wird und die Räder entsprechend dem Soll-Lenkwinkel gelenkt werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Soll-Lenkwinkel (γsoll) nach der Beziehung γsoll = ½ χ b bestimmt wird, worin γsoll der Soll-Lenkwinkel der Räder, χ die Gleiskrümmung und b der Abstand zwischen den beiden Achsen des Fahrwerks ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Lenkung mehrerer Fahrwerke eines Schienenfahrzeugs nur die Gleiskrümmung (χ) und der Soll-Lenkwinkel (γsoll 1) für das erste Fahrwerk bestimmt wird, und daß danach die Soll-Lenkwinkel (γsoll 1 + i) für die in Fahrrichtung nachfolgenden Fahrwerke durch zeitliche Verzögerung (Δt) aus dem ersten Soll-Lenkwinkel (γsoll 1) bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerung aus der Beziehung Δt = ai/vbestimmt wird, wobei a_i der Abstand des nachlaufenden Fahrwerks i zum ersten Fahrwerk und v die Translationsgeschwindigkeit des Fahrwerks ist.