DE2406479A1

DE2406479A1 - Anordnung bei einem motorgetriebenen schienenfahrzeug

Info

Publication number: DE2406479A1
Application number: DE19742406479
Authority: DE
Inventors: Lars-Olof Dipl Ing Nilsson; Fredrik Schmiterloew; Bo Dipl Ing Soegberg
Original assignee: ASEA AB
Current assignee: ABB Norden Holding AB
Priority date: 1973-03-09
Filing date: 1974-02-11
Publication date: 1974-09-19
Also published as: SE370906B; AU6632374A; CH585628A5; FR2220398A1; GB1449692A; US3937152A; FR2220398B1; DE2406479C3; ATA76774A; ZA741492B; DE2406479B2; AT342645B; CA1020253A; SU552016A3

Description

Patentanwälte

Dipl.-Ing. Helmut M is sling 63 Giessen 7.2.1974

Dipl.-Ing. Richard Schlee Bismarckstrasse 43

Dr.-Ing. Joachim Boecker ^{TeIefon: C0641) 71019}

Boe/He 11.932

2406473

Allmänna Svenska Elektriska Aktiebolaget Västeras / Schweden

Anordnung bei einem motorgetriebenen Schienenfahrzeug

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung bei einem motorgetriebenen Schienenfahrzeug, das mindestens ein Antriebssystem mit Antriebsmotor und Treibrad hat.

Figur 1 zeigt, wie bei einem Schienenfahrzeug die Zugkraft F mit dem Unterschied .Δ ν zwischen der Umfangsgeschwindigkeit des Treibrades und der Geschwindigkeit des Fahrzeuges variiert. Der Verlauf der Kurve ist in relativ hohem Maße von der Oberflächenbeschaffenheit von Schiene und Treibrad, dem Vorhandensein von Verunreinigungen, wie Rost, Eis usw., und von der Geschwindigkeit des Fahrzeuges abhängig. Prinzipiell gilt jedoch, daß, wenn die Zugkraft von Null bis zu einem bestimmten Wert F₁ erhöht wird, Δ ν aufgrund elastischer Verformung relativ langsam auf einen bestimmten Wert Δ V₁ ansteigt. In einem typischen Fall ist F₁ ca. 75% von F_max. Wird die Zugkraft weiter erhöht, tritt ein deutliches Schleudern zwischen Rad und Schiene auf. Bei Δ ν = Δ v₂ erhält man die maximale Zugkraft F· Av₂ beträgt meistens einige km/Stunde. Nimmt ^v weiter zu, nimmt die Zugkraft ab.

.409838/0262

Es ist erwünscht, bei Bedarf immer die maximal zugängliche Zugkraft ausnutzen zu können, d«h. mit Δ ν = ^v~ stabil arbeiten zu können, wo ja F = F=.

Dies hat sich bisher nicht verwirklichen lassen, da - wie oben erwähnt - der Verlauf der Kurve und damit Δν_ο als auch F__a_. re-

C. max

lativ stark mit unkontrollierbaren äußeren Verhältnissen variieren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zu entwickeln, die es gestattet, bei allen Drehzahlen im Bedarfsfalle stets die maximal erreichbare Zugkraft auszunutzen.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Anordnung der eingangs genannten Art vorgeschlagen, die erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß ein Schwingungsmeßglied am Fahrzeug angebracht ist, das in einem vorgegebenen Frequenzbereich liegende mechanische Schwingungen des Antriebssystems erfaßt und ein der Amplitude dieser Schwingungen entsprechendes Signal bildet, welches einem Anzeigeorgan und/oder einem Organ zur Beeinflussung der Zugkraft des Antriebsmotors zugeführet wird.

Die Erfindung nutzt die Tatsache aus, daß der Betriebsbereich ^v ε ^v₂ nicht stabil ist, wie aus dem um Null liegenden oder negativen Wert der Ableitung von F nach^v hervorgeht (Figur 1). Daher treten in diesem Bereich mechanische Schwingungen im System Treibrad-Kraftüberführung-Antriebsmotor-Drehgestell auf. Diese

£09833/0262

— ο "

Schwingungen haben ein oder mehrere durch die mechanische Beschaffenheit des Systems bestimmte Eigenfrequenzen. Das Vorkommen mechanischer Schwingungen mit einer solchen Eigenfrequenz des Systems ist somit eine Anzeige dafür, daß das System innerhalb des Betriebsbereichs Δν ^Δγ₂ arbeitet.

Anhand der Figuren soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen

Figur 1 den Zusammenhang zwischen der Zugkraft und der Relativgeschwindigkeit Rad - Schiene,

Figur 2 eine Ausführungsform der Anordnung nach der Erfindung, Figur 3 ein Ausführungsbeispiel für die räumliche Anordnung des zur Anordnung nach der Erfindung gehörenden Kraftgebers ,

Figur 4 die Charakteristik des zu der Anordnung gehörenden Begrenzungsverstarkers F 2.

Figur 2 zeigt die Antriebs- und Regelanordnung für einen Antriebsmotor M 1 eines Schienenfahrzeuges. Der Anker des Motors wird auf bekannte Art von einem an die Klemme AC angeschlossenen Wechselspannungsnetz über den steuerbaren Gleichrichter C 1 mit Gleichstrom gespeist. Dieser liefert eine Gleichspannung, deren Größe von dem vom Verstärker F 3 an das Steuerimpulsgerät SPD gegebenen Signal bestimmt wird. Der Motor ist mit einem Tachometergenerator TG gekoppelt, der ein der Motorgeschwindigkeit ν proportionales Signal abgibt. Dieses wird im Summierungsglied S 1 mit einem vom Potentiometer P 1 gelieferten Geschwindigkeitsollwert

A 0 9 B ' -i / Ί ? fi ·-'

ν ~ verglichen. Der so gewonnene Differenzwert wird einem Verstärker F 1 mit geeigneter Charakteristik zugeführt, dessen Ausgangssignal den Sollwert I_ref für den Motorstrom bildet. I_ref wird einem Begrenzungsverstärker F 2 zugeführt. Dieser hat die in Fig. 4 gezeigte Charakteristik. Sein Ausgangssignal I'_ref ist proportional dem Eingangssignal I_re£ » solange l_re^ kleiner als oder gleich einem mit Hilfe des Potentiometers P 2 eingestellten Grenzwert I ist. Für I_{ref #}> ΐ ist I^f _ref# = "i. Mit Hilfe von P 2 kann also maximale Zugkraft und damit maximale Beschleunigung eingestellt werden. Ein Strommeßgerät IM erzeugt ein dem Motorstrom proportionales Signal I, das im Summierungsglied S 2 mit I¹ £ verglichen wird. Die Differenz aus I*_re;f und I stellt den Stromfehler (Regelabweichung) dar und wird über den Stromregler F 3 dem Steuerimpulsgerät SPD des Stromrichters C 1 zugeführt. Auf an sich bekannte Art wird das beschriebene Regelsystem danach streben, die Geschwindigkeit konstant auf dem am Potentiometer P 1 eingestellten Wert v_ref zu halten, unter Berücksichtigung dessen, daß der mit Hilfe von P 2 eingestellte maximale Motorstrom (und damit die Zugkraft und die Beschleunigung) nicht überschritten wird.

Figur 3 zeigt ein an sich bekanntes Drehgestell B eines motorgetriebenen Schienenfahrzeuges von der Seite gesehen. Es hat zwei Achsen, von denen jede mit zwei Treibrädern versehen ist. Das Treibrad 13 gehört zu der einen Achse, deren eines Achslager gezeigt ist. Das Achslager ist in der mit dem Drehgestellrahmen fest verbundenen Stütze 15 federnd aufgehängt. Die Achse wird von

U 0 9 c ■ ·λ I 0 7 f! '

dem im Drehgestellrahmen aufgehängten Motor M 1 über das Zahnradgetriebe 12 angetrieben. Das Reaktionsmoment des Antriebsmotors wird am Getriebegehäuse von der Reaktionsstütze 16 aufgenommen, die zwischen einer Befestigung 17 am Drehgestellrahmen und einer Befestigung 18 am Getriebegehäuse angebracht ist.

Gemäß der Erfindung ist ein Kraftgeber FT, vorzugsweise ein an sich bekannter magnetoelastischer Kraftgeber, derart angebracht, daß die auf die Reaktionsstütze ausgeübte Kraft auf ihn einwirkt. Der Geber kann in einem Loch in der Stütze 16 oder in einer der Befestigungen 17 oder 18 angebracht sein. Alternativ kann er zwischen der Befestigung 17 und dem Drehgestellrahmen oder zwischen der Befestigung 18 und dem Getriebegehäuse 12 angebracht sein. In bekannter Weise gehören zum Kraftgeber Organe, die eine Gleichspannung erzeugen, welche der auf die Reaktionsstütze 16 oder deren Befestigung ausgeübten Kraft proportional ist. Diese Gleichspannung wird einem Bandpaßfilter BP zugeführt, das so bemessen ist, daß nur Wechselspannungen mit einer solchen Frequenz passieren können, wie sie bei mechanischen Schwingungen der vorgenannten Art auftreten, in einem typischen Fall eine Frequenz von einigen zehn Hz. In einem Gleichrichter R wird das Ausgangssignal vom Bandpaßfilter in ein der Schwingungsamplitude proportionales Gleichspannungssignal umgewandelt, das einem Summierungsglied S 3 zugeführt wird. Vom Potentiometer P 3 erhält man einen Schwellwert. Im Summierungsglied S 3 wird die Schwingungsamplitude mit diesem Schwellwert verglichen. Wenn die Schwingungsamplitude den Schwellwert übersteigt, gibt das Summierungs-

40983 8/026?

-D-

glied S 3 über einen Verstärker F 4 ein drehzahlminderndes Signal /\I an den Begrenzungsverstärker F 2.

Das Signal ^I verringert den am Potentiometer P 2 eingestellten Grenzwert I auf I - ΔΙ. Bei Schwingungen, deren Amplitude gen genannten Schwellwert übersteigt, wird also der Stromsollwert Ι'_Γβί auf den Wert I - Al begrenzt. Der Ankerstrom I des Motors nimmt dann in entsprechendem Maße ab, und damit auch die Zugkraft, wodurch die Schwingungsamplitude abnimmt. Hierdurch entsteht ein geschlossener Regelkreis, der, wenn eine hohe Beschleunigung gewünscht wird, automatisch dafür sorgt, daß das Antriebssystem bei dem Punkt F = F ; Δ ν = &Vp in Figur 1 arbeitet. Auf diese Weise wird die maximal erreichbare Adhäsion unter allen Umständen voll ausgenutzt.

Der Schwellwert, mit dem die Schwingungsamplitude im Summierungsglied S 3 in Fig. 2 verglichen wird, kann Null sein; in diesem Falle können P 3 und S 3 wegfallen. Am zweckmäßigsten wird jedoch mit Hilfe von P 3 ein solcher Schwellwert gewählt, daß unerwünschte Eingriffe in die Zugkraft aufgrund geringer Schwingungen vermieden werden. Ebenso kann es in gewissen Fällen angebracht sein, eine gewisse Glättung oder Verzögerung im Signalweg über die Glieder R-S 3-F 4-F 2 einzuführen, wodurch kurzzeitige Schwingungen daran gehindert werden, die Zugkraft zu reduzieren.

40933S/D2S-?

Der im Ausführungsbeispiel benutzte Kraftgeber kann alternativ an anderen Stellen im Antriebssystem oder im Drehgestellrahmen angeordnet werden. Die im Einzelfall günstigste Stelle hängt von der Ausführung des Systems Motor-Kraftüberführung-Treibradaufhängung ab, die bekanntlich in. weiten Grenzen variieren kann. Wesentlich ist jedoch, daß der Kraftgeber an einer Stelle angeordnet wird, wo er den bei den genannten mechanischen Schwingungen auftretenden Kräften ausgesetzt ist.

In Figur 3 ist das Drehgestell B mit einem weiteren Treibradpaar 23 versehen, dessen Achslager 24 in der Stütze 25 aufgehängt sind. Die Achse wird vom Motor M 2 über das Getriebe 22 angetrieben, das mit der Reaktionsstütze 26 mit den Befestigungen 27 und 28 versehen ist. Der Motor M 2 kann mit einem eigenen Regel- und Speisesystem versehen sein, das mit dem in Figur 2 für den Motor M 1 gezeigten identisch ist, wobei der Kraftgeber auf gleiche Art an der Reaktionsstütze 26 oder deren Befestigungen angeordnet ist.

In bestimmten Fällen werden alle Motoren eines Drehgestelles oder sogar alle Motoren des ganzen Fahrzeuges von einem gemeinsamen Stromrichter gespeist. Dabei wird vorzugsweise jede Antriebswelle mit einem Kraftgeber FT, einem Bandpaßfilter BP und einem Gleichrichter R ausgerüstet. Ferner wird ein Auswählkreis vorgesehen, der zum Summierungsglied S 3 das jeweils größte der von den Gleichrichtern R erhaltenen Signale durchschaltet.

4098 "B/G? R''

Oftmals werden dabei die Anker der Motoren von dem gemeinsamen Stromrichter gespeist, während der Feldstrom eines jeden Motors separat gesteuert werden kann, beispielsweise dadurch, daß jedem Motor ein separat steuerbarer Stromrichter für die Speisung seiner Feldwicklung und ein Regelkreis für die Regelung des Motorfeldstroms zugeordnet ist. Jeder Regelkreis hält dann den Feldstrom des Motors auf einem dem Regelkreis zugeführten Sollwert. Die den Regelkreisen zugeführten Sollwerte sind dabei normalerweise gleich groß und so bemessen, daß sie im Motorendrehzahl-

die

bereich von Null bis zur sogenannten Grunddrehzahl, beispielsweise bei der Hälfte der vollen Drehzahl- liegen !kann, . der Erregerfluß seinen vollen Wert hat und bei Drehzahlen oberhalb der Grunddrehzahl kleiner wird ( Feldschwäch^).

Wenn die Motoren ein Drehmoment auf die Treibräder übertragen, so verändert sich die Druckverteilung zwischen den Achsen des Fahrzeuges in der Weise, daß der Raddruck für bestimmte Antriebswellen zunimmt und für andere abnimmt. Daher beginnen eine oder mehrere Achsen zu schleudern (durchdrehen), bevor die vorhandene Reibungskraft der anderen Achsen voll ausgenutzt ist. Wenn dabei das Schleudersignal von dem schwing.ungsmessenden Organ der schleudernden Achse über den oben erwähnten Auswählkreis eine Verringerung des Ankerstromes sämtlicher Motoren durch den gemeinsamen Ankerstromrichter veranlaßt, so wird auch das auf die nicht schleudernden Achsen ausgeübte Antriebsmoment verringert, das maximal also mögliche Antriebsmoment nicht ausgenutzt.

— y _

Bei dem beschriebenen System mit gemeinsamer Ankerstromregelung und individueller Feldstromregelung kann dieser Nachteil jedoch auf folgende Weise vermieden werden:

Das schwingungsamplitudenabhangige Signal von jedem System Motor-Antriebswelle wird mit einem ersten Schwellwert verglichen. Wenn das Signal von einem Motor diesen Wert übersteigt, wird es den Feldstromregelkreisen der Motoren wie folgt zugeführt: Bei einer Drehzahl unter der Grunddrehzahl wird das Signal den Feldstromregelkreisen der übrigen Motoren auf solche Weise zugeführt, daß der Feldstrom in diesen Motoren mit einem dem Signal entsprechenden Wert verringert wird. Hierdurch wird der Fluß in diesen Motoren kleiner, und deren Ankerströme neigen dazu, zuzunehmen. Der gemeinsame Ankerstromregler wirkt dann diesem durch Senkung der Ankerspannung entgegen. Dies resultiert wiederum darin, daß der Ankerstrom und damit das Drehmoment des schleudernden Motors geringer wird, während die Drehmomente der übrigen Motoren nicht beeinflußt werden. Bei einer über der Grunddrehzahl liegenden Drehzahl wird das schwingungsamplitudenabhangige Signal nur dem Feldstromregelkreis des eigenen Motors zugeführt, und zwar derart, daß der Feldstrom um einen dem Signal entsprechenden Wert zunimmt. Der Fluß nimmt dann im Motor zu, und der Ankerstrom und damit das Antriebsmoment nehmen ab. Dadurch wird die Antriebskraft eines jeden Motors, mit Rücksicht auf den Achsdruck der an den Motor gekoppelten Antriebswelle, immer und-bei allen Drehzahlen die größtmögliche sein.

409838/026?

- ίο -

Zweckmäßigerweise wird dieses System dadurch ergänzt, daß alle Schleudersignale einem Auswählkreis zugeführt werden, der das größte hiervon an einen Kreis weiterleitet, wo dieses Signal mit einem zweiten Schwellwert verglichen wird, welcher größer ist, beispielsweise doppelt so groß, als der genannte erste Schwellwert. Übersteigt das Signal diesen zweiten Schwellwert, so ist dies ein Zeichen dafür, daß mit Rücksicht auf die vorhandene Adhäsion ein zu hoher Ankerstrom eingestellt ist; das Signal wird dazu verwendet, den gemeinsamen Ankerstromregelkreis derart zu beeinflussen, daß der Ankerstrom und damit die Zugkraft des ganzen Fahrzeuges geringer.werden.

Die in obigem Ausführungsbeispiel beschriebenen magnetoelastischen Kraftgeber können durch Kraftgeber anderer Art ersetzt werden, beispielsweise Drahtdehnungsgeber. Anstatt der Kraftgeber können andere schwingungsabtastende Organe benutzt werden, beispielsweise Akzelerometer (Beschleunigungsmesser). Bei dem in Figur 3 gezeigten Drehgestell kann zweckmäßigerweise ein Akzelerometer an jede* Ende des Drehgestells angebracht werden. Alternativ können Drehmomentengeber (beispielsweise des magnetoelastischen Typs) verwendet werden, welche angeordnet werden, um das Drehmoment in einem den Schwingungen ausgesetzten Teil (z.B. der Radachse) zu messen. Bei einer weiteren Alternative kann die von den Schwingungen abhängige Größe aus der Rotationsgeschwindigkeit, beispielsweise einer Radachse, bestehen, die mit Hilfe eines Tachometers gemessen werden kann.

40983 8/026?

Die schwingungsamplitudenabhängige Zugkraftreduktion kann man auf viele andere Arten erhalten, als es oben im Zusammenhang mit Fig. 2 beschrieben wurde. Beispielsweise kann das Signal &1 dem Summierungsglied S 2 zugeführt und dort von dem ötromsollwert I'_ref subtrahiert werden.

In einer vereinfachten Ausführungsform der Erfindung wird das Ausgangssignal von dem schwingungsabtastenden Organ einem Anzeigeorgan im Führerstand des Fahrzeuges zugeführt. Bei auftretenden Schwingungen muß der Fahrer dann die Zugkraft manuell anpassen. Auch mit diesem vereinfachten System können wesentliche Zugkraftverbesserungen erzielt werden.

Ein weiterer Vorteil des Systems gemäß der Erfindung besteht darin, daß es in hohem.Maße die von unkontrollierten Schwingungen verursachten mechanischen Beanspruchungen der Antriebswellen mit Rädern und Aufhängung am Drehgestellrahmen, der Motoren und der Kraftübertragungsanordnungen verringert.

In dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel sind die Motoren Gleichstrommotoren, die von steuerbaren Stromrichtern gespeist v/erden. Natürlich kann die Erfindung auch bei Fahrzeugen mit anderen Antriebsmotoren und Speiseanordnungen verwendet werden. Ebenso kann die Erfindung bei anderen als den beschriebenen Arten von Drehgestellen, Radaufhängungen und Kraftübertragungen verwendet werden, beispielsweise bei Drehgestellen mit mehr als zwei Achsen.

409838/026?

Claims

Patentansprüche t

1. Anordnung "bei einem motorgetriebenen Schienenfahrzeug, das mindestens ein Antriebssystem mit Antriebsmotor und Treibrad hat, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schwingungsmeßglied am Fahrzeug angebracht ist, das in einem vorgegebenen Frequenzbereich liegendemechanische Schwingungen des Antriebssystems erfaßt und ein der Amplitude dieser Schwingungen entsprechendes Signal bildet, welches einem Anzeigeorgan und/oder einem Organ zur Beeinflussung der Zugkraft des Antriebsmotors zugeführt wird.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein Organ zum Vergleich der Schwingungsamplitude mit einem vorgegebenen Schwellwert enthält.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Vergleichsorgan (S 3) ein die Zugkraft des Motors verringerndes Signal an das Organ zur Beeinflussung der Zugkraft liefert, wenn die Schwingungsamplitude den Schwellwert überschreitet.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwingungsmeßglied (ST) einen Geber enthält, der auf eine die Schwingungen beschreibende Größe, wie Kraft, Beschleunigung, Drehmoment oder Rotationsgeschwindigkeit, anspricht und ein dieser Größe entsprechendes Signal erzeugt.

U 0 9 B :? 3 / 0 7 B '-

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwingungsmeßglied einen Kraftgeber enthält, auf den die von der Antriebskraft hervorgerufene Reaktionskraft wirkt.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß das Schwingungsmeßglied ein dem vorgegebenen Frequenzbereich angepaßtes Bandpaßfilter (BP) enthält.

409838/026?