DE2848398B1 - Spurfuehrung eines Radsatzes fuer Schienenfahrzeuge - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Spurführung eines Radsatzes gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei Schienenfahrzeugen neigen bekanntlich vor allem Drehgestelle mit seitlich relativ starr im Drehgestellrahmen geführten und stark zentrierende Laufflächen aufweisenden Radsätzen — bei sonst günstigen Laufeigenschaften — insbesondere unter höheren Fahrgeschwindigkeiten zu instabilem Lauf, wobei die Drehgestelle unter dem aufliegenden Fahrzeugrahmen schnelle und heftige Drehbewegungen um ihre Hochachse (Gierbewegungen) ausführen: Nach Überschreiten einer bestimmten kritischen Fahrgeschwindigkeit geraten die Drehgestelle in Gierschwingungen verbunden mit seitlichen Schiebe- bzw. Querbewegungen, die sich bei weiterer Erhöhung der Fahrgeschwindigkeit bis zu einem gefährlichen Zick-Zack-Lauf aufschaukeln können. Die Folge ist ein Anschlagen der Spurkränze an die Schienen und damit eine große Laufunruhe sowie ein hoher Verschleiß der Spurkränze, Schienen und des Oberbaus. Eine entsprechende Erhöhung des Ausdrehwiderstandes der Drehgestelle beispielsweise mittels Drehhemmungen führt zwar zu einem stabileren Lauf, mindert aber auch die Bogenläufigkeit der Drehgestelle. Letzteres läßt sich selbstverständlich auch bei Verwendung von solchen Drehhemmungen nicht völlig ausschließen, deren Ausdrehwiderstand mit zunehmender Ausdrehung der Drehgestelle abnimmt. Dagegen kann zwar durch Einrichtungen zur Steuerung der Drehgestelle in eine bestimmte Position zum Gleis die Bogenläufigkeit verbessert werden. Die bekannten Einrichtungen dieser Art vermögen jedoch wegen des Positionierungseffektes nicht, die vorgenannte Aufgabe der Stabilisiemng des Drehgestellaufes zu erfüllen. Eine geeignete Lösung hierzu, also den Gierschwingungen und seitlichen Schiebe- bzw. Querbewegungen vorzubeugen, kann auch nicht in Radsätzen mit lose auf der Achswelle drehbar gelagerten Rädern gesehen werden. Die Losradanordnung hat zwar gegenüber dem klassischen Festradsatz mit auf einer gemeinsamen Achswelle festsitzenden, also untereinander starr gekoppelten Rädern den Vorteil, daß bei einer seitlichen Verschiebung des Radsatzes (insbesondere im Gleisbogen) aufgrund der dann unterschiedlichen Rollradien der Räder keine Längsgleitungen zwischen Rad und Schiene mit der Folge von destabilisierenden Zuständen entstehen können. Wegen des Fehlens der Selbstzentrierung werden allerdings — wie beim Automobil — aufwendige Lenk- oder Steuereinrichtungen erforderlich, um im Gleisbogen die Positionierung des Radsatzes vornehmen zu können. Im übrigen ist bekanntlich die Losradanordnung mit hohem Spurkranzverschleiß behaftet.

Eine Verminderung der Gierschwingungen und seitlichen Schiebe- bzw. Querbewegungen bei Drehgestellen mit Festradsätzen ist zwar durch Verkleinern der Laufflächenneigung bei den Rädern möglich, weil dann zwangsläufig die mögliche Rollradiendifferenz und damit auch der davon abhängige (Längs-) Schlupf der Räder geringer wird. Hieraus resultiert jedoch wiederum eine Verminderung der auf das Drehgestell um seine Hochachse ausgeübten Drehmomente (Giermomente) und folglich eine beträchtliche Verschlechterung der Bogenläufigkeit, da diese Drehmomente ein Hauptbestandteil der vom Radsatz ausgeübten Führungskräfte sind. Beim Verkleinern der Laufflächenneigung bzw. Konizität des Radprofils geht also die Stabilisierung des Radsatzes und Drehgestellaufs zu Lasten der Bogenläufigkeit, im Gegensatz zu Radsätzen mit großer Laufflächenneigung der Radprofile, welche bekanntlich eine gute Bogenläufigkeit und eine relativ schlechte Laufstabilität aufweisen. Im übrigen wird sich unabhängig vom ursprünglich vorgegebenen Profil der Laufflächen über kurz oder lang ohnehin das sogenannte Verschleißprofil mit der Folge einer großen Rollradiendifferenz der Räder einstellen. Demnach ist grundsätzlich mit destabilisierenden Zuständen zu rechnen.

In Anbetracht dessen stellt sich das Problem, eine Stabilisierung des Radsatzes bzw. des Drehgestellaufs ohne Beeinträchtigung der Bogenläufigkeit bzw. des Führungsverhaltens des Radsatzes unabhängig vom Verschleißzustand der Laufflächen der Räder sicherzustellen. Lösungen hierzu können auch in den drei in der DE-OS 22 59 035 beschriebenen Ausführungsformen einer Spurführung von Radsätzen gleisgebundener Fahrzeuge nicht gesehen werden, bei der die Stellung der Achsmittelpunkte der Radsätze zur Mittelebene des Gleises aktiv durch eine Lagerregelung beeinflußt wird, deren Stellglieder direkt oder indirekt auf die Radsätze einwirken. Denn allen drei Ausführungsformen ist gemeinsam, daß sie allenfalls nur die aufgrund der Konizität der Laufflächen vorgegebene Steuerungswirkung der Räder zu verbessern vermögen. Bei der ersten Ausführungsform für einen Fest- oder Losradsatz wird

ORIGINAL INSPECTED

dies durch einen Positionierungsvorgang, nämlich durch Drehen des Radsatzes um seine Hochachse mit der Folge einer Veränderung der effektiven Konizität der Laufflächen und somit der Rollradien der Räder ereicht. Da allerdings nur extrem kleine Drehungen zur Beeinflussung des Führungsverhaltens des Radsatzes notwendig sind, ist die betreffende Einrichtung sehr schwer zu realisieren. Dasselbe gilt für die vorgeschlagene axiale Verschiebung der Räder gemäß der zweiten Ausführungsform. Hier stellt sich überdies noch das Problem, daß bei einer Veränderung der Rad-Schiene-Berührungsverhältnisse durch Laufkranzverschleiß der für die Auslegung des Systems angenommene Zusammenhang zwischen Radquerverschiebung und Wanderung des Radaufstandspunktes auf dem Laufprofil nicht mehr besteht. Für eine genaue Wirkung des Systems müßte daher der jeweilige Radaufstandspunkt meßbar sein, was natürlich nicht möglich ist. Schließlich trägt das Vorgeben einer Drehzahldifferenz durch ein Differentialgetriebe gemäß der dritten Ausführungsform, bei der jedes Rad einzeln angetrieben auf einer eigenen Achswelle sitzt und die beiden Achswellen je Radpaar über das Differentialgetriebe gekoppelt sind, auch nur zur Erhöhung der effektiven Konizität der Räder bei. Sobald sich bei dem Radsatz nach längerem Lauf ein Verschleißprofil einstellt, also ein ohnehin eine große Rollradiendifferenz verursachendes Profil, wird dessen Wirkung durch die vorgegebene Drehzahldifferenz noch erhöht und damit der Radsatz zwangsläufig destabilisiert. Allen drei Ausführungsformen ist somit gemeinsam, daß die angestrebte Wirkung allenfalls nur bei Rädern mit exakt konischen Laufflächen gewährleistet ist. Sobald sich ein Verschleißprofil ausbildet, sind die zweite und dritte Ausführungsform unbrauchbar. Die erste Ausführungsform ist nur bei herabgesetzter Kreisverstärkung des Regelsystems brauchbar. Dann ist allerdings die Effektivität sehr gering, d. h. das aus einem Verschleißprofil resultierende Führungs- und Stabilitätsverhalten des Radsatzes dominiert.

Im übrigen wird bei einem durch die DE-PS 9 50 011 bekannten Radsatz mit gegeneinander drehbaren Rädern durch Zwischenschaltung einer willkürlich regelbaren Bremse, deren Bremskraft bzw. Wirkung einmalig festgelegt wird, eine Verbesserung des Sinuslaufs bloß insoweit erreicht, daß ein Kleben der Räder dieses Losradsatzes an der Schiene vermieden wird.

Demgegenüber lassen sich aber schließlich bei einer der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung entsprechenden Spurführung der DE-OS 26 14 166 grundsätzlich unerwünschte Auswirkungen eines Profilverschleißes der Laufflächen der Räder auf die Stabilität ohne Beeinträchtigung des Führungsverhaltens des Radsatzes vermeiden und demzufolge die verschleißgünstigen Schmiegungsverhältnisse beim Verschleißprofil weiterhin ausnutzen. Hier wird nämlich unter der Erkenntnis, daß im Falle von Losrädern (nur in bezug auf eine gemeinsame Achswelle) der aus großen Rollradiendifferenzen der Räder resultierende destabilisierende (Längs-)Schlupf der Räder relativ zum Gleis im vorgenannten Sinne ohne Schwierigkeiten beeinflußbar ist, eine die Räder verbindende Kupplung nach Maßgabe eines Reglers in dem Sinne gesteuert, daß der Schlupf der Kupplung mit zunehmender Fahrzeuggeschwindigkeit vergrößert und mit abnehmender Fahr-Zeuggeschwindigkeit vermindert wird. Die grundsätzliche Wirkung der Kupplung ist hier in der Modulierung der (Längs-)Schlupfkräfte zwischen den Rädern und dem Gleis im Sinne der Verbesserung der durch ein Verschleißprofil gegebenen Stabilitätsbedingungen zu sehen. Der Schlupf in der Kupplung vermindert die dynamisch wirksame Konizität sowie den dynamisch wirksamen Radabstand und führt damit bei einem Radsatz mit Verschleißprofil der Räder zu einem guten Stabilitätsverhalten. Ein gutes Führungsverhalten in engen Gleisbogen kann in einfacher Weise durch Beseitigung des Schlupfes in der Kupplung erreicht werden, d. h. der Radsatz erfüllt dann die Funktion eines Festradsatzes mit den ihm eigenen guten Führungseigenschaften.

Allerdings muß man bei diesem Radsatz inkaufnehmen, daß die dem Regler zu seiner Funktionserfüllung zuzuführenden Meßwerte »Frequenz aufklingender Ra'dsatz-Sinusschwingungen, Seitenverschiebung des Radsatzes gegenüber der Gleismittelebene, am Rad einwirkende Querkräfte« einen beträchtlichen Aufwand an Meßstellen am Radsatz bzw. dem zugehörigen Gestell notwendig machen, d. h. an solcher Stelle, wo insbesondere aufgrund von Witterungseinflüssen mit einem höheren Verschleiß und u. U. häufigeren Ausfällen der Meßgeräte zu rechnen ist.

Der Erfindung liegt in Anbetracht dessen die Aufgabe zugrunde, bei einer Spurführung eines Radsatzes mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Merkmalen den für die Steuerung der Kupplung am Radsatz bzw. Gestell notwendigen meßtechnischen Aufwand zu vermindern.

Diese Aufgabe ist mit den im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen gelöst, wonach zum einen solche Eingangsgrößen für den Regler verwendet werden, die meßtechnisch einfach und mit solchen Meßgeräten zu erhalten sind, die leicht an gegenüber Umwelteinflüssen geschützten Stellen des Radsatzes bzw. Gestells angeordnet werden können. Zum anderen resultiert hieraus eine gegenüber dem Bekannten einfachere Konzeption des Reglers, der nunmehr weniger Rechenoperationen durchzuführen hat.

Diese Vorteile werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels der Erfindung und ihrer in den Unteransprüchen gekennzeichneten Weiterbildungen weiter verdeutlicht. Hierzu zeigt die Zeichnung einen Längsschnitt durch einen Radsatz, dessen Achswelle 1 im Rahmen bzw. den Längsträgern 2 eines Drehgestells beispielsweise über eine — in lateraler und vertikaler Richtung weichen, dagegen in longitudinaler Richtung harten — Federung 3 angeordnet ist. Auf der Achswelle 1 sind die Räder 4 drehbar gelagert; die betreffenden nur symbolisch angedeuteten Radlager 5 können Wälzlager sein. Bei diesem Radsatz sind die Räder 4 jedoch keine sogenannten Losräder, d. h. zueinander lose auf der Achswelle 1 sitzende Räder. Denn die Räder 4 sind miteinander über eine (auch nur schematisch angedeutete) Kupplung 6 verbunden, wobei diese ein um die Achswelle t drehbar angeordnetes Verbindungsmittel zwischen den Rädern ist und folglich mit ihnen umlaufen kann. Es handelt sich hierbei um eine steuerbare elektromagnetische Reibkupplung 6, bei der bekanntlich die Reibwirkung eines magnetisierbaren Eisenpulvers 6.1 zum Übertragen von Drehmomenten ausgenutzt wird und ein Schlupf durch Verändern eines Erregerstromes auch in Lauf einstellbar ist.

Bei dem Radsatz ha die Kupplung 6 die Funktion, beim Lauf längs d;.s Gleises 7 im Falle eines Rollradienunterschiedes der Räder 4 eine Differenzdrehzahl im Sinne einer Stabilisierung des Radsatzes zuzulassen, also den Längs-Schlupf der Räder zu

vermindern. Dies gilt vor allem, wenn sich das sogenannte Verschleißprofil bei den Rädern 4 einstellt. Dann hat bekanntlich der klassische Festradsatz ein gutes Führungsverhalten, jedoch sind infolge des Verschleißprofils die Stabilitätsbedingungen aufgrund einer großen Rollradiendifferenz und damit eines großen Längs-Schlupfes der Räder relativ zum Gleis schlecht. In diesem Fall braucht bei der vorbeschriebenen Anordnung der Räder 4 und Kupplung 6 hier durch entsprechende Änderung des Erregerstromes nur ein Schlupf eingestellt zu werden, um den Längs-Schlupf der Räder 4 zum Gleis 7 zu vermindern. Die Kupplung 6 ist demnach bei dem Radsatz ein geeignetes Stellglied, mittels dessen der gesamte aus der Rollradiendifferenz der Räder 4 resultierende Schlupf in einerseits Längs-Schlupf der Räder zum Gleis 7 und andererseits Schlupf in der Kupplung aufteilbar ist. Somit ist der Radsatz dynamisch unabhängig vom Radprofilverschleiß. Was das Führungsverhalten des Radsatzes insbesondere in engen Gleisbogen betrifft, so braucht dann nur über die Kupplung 6 eine starre Verbindung zwischen der beiden Rädern 4 wiederhergestellt zu werden mit der Folge, daß der Radsatz als ein Festradsatz wirkt. Bei Gleisbogen mit größerem Radius, die mit hoher Geschwindigkeit durchfahren werden können, bewirkt eine Erhöhung des von der Kupplung 6 übertragenen Moments eine Verbesserung des Kurvenlaufs.

Wie aus der Zeichnung des weiteren hervorgeht, wird zu den vorgenannten Zwecken die Kupplung 6 nach Maßgabe eines Reglers 8 gesteuert, beispielsweise ein Zustandsregler, der einen Vorgabewert M„_v des Kupplungsmoments errechnet. Dem Regler 8 werden hierzu zum einen außer (z. B. über einen Tachogenerator erhaltenen) Meßwerten der Fahrzeuggeschwindigkeit ν Meßwerte der Drehzahlen n_u n₂ beider Räder 4 zugeführt. Die Drehzahlmessung kann durch auf den beiden — den Kupplungshälften 6.2, 6.3 zugeordneten — Hohlwellenteilen 6.4 bzw. 6.5 sitzenden Drehzahlmessern 13 geschehen. Zum anderen wird dem Regler 8 ein Schätzwert R des jeweiligen wirksamen Gleisbogenradius zugeführt, welcher zumindest aus den Meßwerten Fahrzeuggeschwindigkeit ν und am Gestell (Längsträger 2) wirksame freie Querbeschleunigung a ermittelt wird; je nach Genaugikeitsanforderungen wird für diese Ermittlung auch noch die Gleisüberhöhung Ah gemessen. Diesen wirksamen Gleisbogenradiuswert R erhält der Regler 8 z. B. von einem Mikroprozessor 14, dem die jeweilige freie Querbeschleunigung a von einem in Drehgestellmitte sitzenden Beschleunigungsmesser und die Gleisüberhöhung Ah über ein z. B. auch am Drehgestell befindliches Neigungsmeßgerät vermittelt werden kann. Aufgrund dieser Eingangswerte Fahrzeuggeschwindigkeit v, Drehzahlen n\, tii und Gleisbogenradius R unterscheidet der Regler 8 beim — durch entsprechendes Verändern des Erregerstromes (Momentvorgabewert M_nv) bewirkten — Steuern des Schlupfes der Kupplung 6, nämlich mit zunehmender Fahrzeuggeschwindigkeit zunehmend und mit abnehmender Fahrzeuggeschwindigkeit abnehmend, zwischen einem stabilisierenden (KuppIungs-)Momentenanteil und einem führenden (KuppIungs-)Momentenanteil. Dabei ist der stabilisierende Momentenanteil proportional zur Differenzdrehzahl n₂ — /?i und umgekehrt proportional zur Fahrzeuggeschwindigkeit v. Der führende Momentenanteil ist proportional zum jeweiligen wirksamen Gleisbogenradius R. Somit ist für die Gerade im wesentlichen der stabilisierende Momentenanteil maßgebend, welcher mit zunehmender Fahrzeuggeschwindigkeit abnimmt: (wie gesagt) der zunehmende Schlupf der Kupplung verhindert die dynamisch wirksame Konizität der Räder sowie den dynamisch wirksamen Radabstand und führt damit zu gutem Stabilitätsverhalten. Das gute Führungsverhalten des Radsatzes wird demgegenüber durch Erhöhung des führenden (Kupplungs-)Momentenanteils sichergestellt, d. h. durch Verringern des Schlupfes der Kupplung.

Aufgrund der vorbeschriebenen Ansteuerung der Kupplung 6 hat dieser Radsatz einerseits eine kleine dynamisch wirksame Konizität bezüglich der Stabilität seiner Bewegungen um den jeweiligen Arbeitspunkt »Berührungspunkt Rad/Schiene« und damit eine hohe kritische Geschwindigkeit. Andererseits ist die Arbeitspunktauswanderung, charakterisiert durch die Führabweichung, durch den führenden (Kupplungs-) Momentenanteil so begrenzt, daß nur das verfügbare Spurspiel ausgenutzt und die Reaktion auf freie Seitenkräfte, wie sie in Kurven auftreten, verbessert wird.

Je nach Notwendigkeit kann der vorbeschriebene Regler 8, welcher also den Vorgabewert M_ny für das Kupplungsmoment M_n errechnet und als Spannung an die Kupplung 6 anlegt, auch Netzwerke zur Korrektur des dynamischen Verhaltens und der Nichtlinearitäten (wie Hysterese) der Kupplung enthalten. Die Kupplung 6 wird im Vorbeschriebenen momentgesteuert betrieben (open-Ioop-Betrieb). Alternativ kann die Kupplung 6 aber auch momentgeregelt betrieben werden (closedloop-Betrieb), wozu dann gemäß der Zeichnung eine Rückführung des gemessenen Kupplungsmomentes M_n vorzusehen wäre. In diesem Fall kann die Messung des Kupplungsmomentes M_n in üblicher Weise mittels eines Dehnungsmeßstreifens 12 an einer der beiden Hohlwellenteile 6.4 oder 6.5 geschehen.

Letztlich bleibt zu bemerken, daß es bei Schienenfahrzeugen mit Triebgestellen möglich ist, die beschriebene Kupplung in Kombination mit einem Differentialgetriebe vorzusehen, welches in Eingriff mit dem Antrieb des Triebgestells in üblicher Weise die Funktion eines die Antriebskräfte ausgleichenden Antriebsmittels erfüllt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Spurführung eines Radsatzes eines Gestells für Schienen- bzw. Gleisfahrzeuge, dessen profilierte Laufflächen aufweisende Räder zum aktiven Einstellen einer Differenzdrehzahl auf einer gemeinsamen Achswelle drehbar gelagert und über eine steuerbare kraftschlüssige Kupplung miteinander verbunden sind, bei der auch im Lauf ein Schlupf einstellbar ist, wobei nach Maßgabe eines Reglers, welcher Meßwerte der Fahrzeuggeschwindigkeit erhält, der Schlupf der Kupplung mit zunehmender Fahrzeuggeschwindigkeit vergrößert und mit abnehmender Fahrzeuggeschwindigkeit vermindert wird, dadurch gekennzeichnet, daß dem Regler (8) Meßwerte der Drehzahlen (n\, /72) beider Räder (4) sowie ein Schätzwert (R) des jeweiligen wirksamen Gleisbogenradius zugeführt werden und daß aufgrund dieser Eingangswerte der Regler beim Steuern des Schlupfes der Kupplung (6) einen stabilisierenden (Kupplungs-)Momentenanteil, der proportional zur Differenzdrehzahl (112— /Ji) und umgekehrt proportional zur Fahrzeuggeschwindigkeit (v) ist, und einen führenden (Kupplungs-)Momentenanteil, der umgekehrt proportional zum wirksamen Gleisbogenradius ist, berücksichtigt.

2. Spurführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleisbogenradiuswert (R) zumindest aus den Meßwerten Fahrzeuggeschwindigkeit (v) und am Gestell wirksame freie Querbeschleunigung fa^ ermittelt ist.

3. Spurführung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die Ermittlung des Gleisbogenradiuswertes (R) zusätzlich die Gleisüberhöhung (Δh)gemessen wird.

4. Spurführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Regler (8) Meßwerte des Kupplungsmomentes (M_n) zugeführt werden.