DE2848398C2

DE2848398C2 - Spurführung eines Radsatzes für Schienenfahrzeuge

Info

Publication number: DE2848398C2
Application number: DE2848398A
Authority: DE
Inventors: Christian Dipl.-Ing. 8013 Haar Guenther
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: AEG Schienenfahrzeuge Nahverkehr und Wagen GmbH
Priority date: 1978-11-08
Filing date: 1978-11-08
Publication date: 1980-07-31
Also published as: FR2441207B1; IT1124828B; FR2441207A1; JPS5563965A; GB2035500A; IT7926906A0; GB2035500B; DE2848398B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Spurführung eine. Radsatzes gemäß dem Oberbegriff ties Patentanspruchs I.

Hei Schienenfahrzeugen neigen bekanntlich vor allem Drehgestelle mit seillich relativ starr im Drehgestellrahmen geführten und stark zentrierende l.aurriächen aufweisenden Radsiiizen — bei sonst günstigen l.aufeigenschaflen — insbesondere unter höheren ahrgeschwindigkeilen zu instabilem l.mif, wobei die Drehgestelle unter ili-m aufliegenden Fahrzeugrahmen schnelle und heftige Drehbewegungen um ihre I lochachse (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-Zaek-I.auf aufschaukeln können. Die Folge ist ein Anschlagen der Spurkränze an die Schienen und damit eine groUe Liiiifuiiriihe sowie ein hoher Verschleiß der Spurkränze, Schienen und des Oberbaus. Eine entsprechende Erhöhung des Aiisdrchwiderslandcs der Drehgestelle beispielsweise mittels Drehhemmungen führt zwar zu einem stabileren Lauf, mindert aber auch die ßogcnliiiifigkcil 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 An vermögen jedoch wegen des Positionierungseffektes nicht, die vorgenannte Aufgabe der Stabilisierung des Drehgestellaufes zu erfüllen. Eine geeignete Lösung hierzu, also den Gierschwingungen

to 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 Festradsau' 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 Längsgleiiungen zwischen Rad und Schiene mit der Folge von destabilisierenden Zuständen entstehen können. Wegen des Fehlens der Selbst/.entrierung werden allerdings — wie beim Automobil — aufwendige Lenk- oder Sieuereinrichiungen erforderlich, um im Gleisbogen die Positionierung des Radsatzes vornehmen zu können. Im übrigen ist bekanntlich die Losradanordnung mit hohem Spurkranzverschleiß behaftet.

Eine Verminderung der Giersehwingungcn und seitlichen Schiebe- bzw. Querbewegungen bei Drehge-

M stellen mil Fesiradsäizen isi zwar durch Verkleinern der l.aufflächenneigung bei den Rädern möglich, weil dann zwangsläufig die mögliehe 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 I lochachse ausgeübten Drehmomente (Gierniomenie) und folglich eine beträchtliche Verschlechterung der Bogenläufigkeil, da diese Drehmomente ein Hauptbestandteil der vom Radsalz ausgeübten Führungskräfic sind. Beim Verkleinern der l.auffiikhenncigung bzw. Konizität des Radprofils gehl also die Stabilisierung des Radsatzes und Drehgeslellaul's /u Lasten der liogcnläiifigkeit, im Gegensalz zu Radsiiizen mil großer l.aufflächenneigung der Kadprofilc. welche bekanntlich

Vt eine gute Bogenläufigkeil und eine relativ schlechte l.aufslabililäl aufweisen. Im übrigen wird sich unabhängig vom ursprünglich vorgegebenen Profil der Laufflächen über kurz oder lang ohnehin das sogenannte Verschleißprofil mi! der Folge einer grollen Rollrailicn-

so differenz der Räder einstellen. Demnach isi grundsätzlich mit destabilisierenden Zuständen /i\ rechnen.

In Anbetracht dessen stellt sich das Problem, eine Slabilisicrung des Radsalzes bzw. des Drchgcsicllaufs ohne Beeinträchtigung der Bogenläufigkeil bzw. des Führiingsvcrhiiltcns des Radsalzes unabhängig vom Verschleißzusland der Laufflächen tier Räder sicherzustellen. Lösungen hierzu können auch in ilen drei in der DE-OS 22 59 0J^r> beschriebenen Ausführungsformen einer Spurführung von Radsiiizen glcisgcbuntlcncr

M) Fahrzeuge nicht gesehen werden, bei der die Stellung der Aehsmiltelptinkte der Kütlsitl/.c zur Millelebene des: Gleises aktiv durch eine Lagerregclung beeinfluß! wird, deren Stellglieder direkt oder indirekt auf die Radsätze einwirken. Denn allen drei Ausführungsfoinien isi

h5 gemeinsam, daß sie allenfalls nur die aufgrund der Konizität der Laufflächen vorgegebene Slcueriingswirkiing der Räder /u verbessern vermögen. Bei tier ersten Ausführungsform für einen FesI- oder l.osratlsalz wirtl

dies durch einen Positjaniemngsvorgang, nämlich durch Drehen de* Radsatzes um seine Haehachse mit der Folge einer Veränderung der effekiiven Konizität der LauTflächen 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 is 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 Ausführungsforni. bei der jedes Rad einzeln angetrieben auf einer eigenen Achswelle sitzt und die beiden Achswellen je Rndpaar 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 Rollradicndiffercnz verursachendes Profil, wird dessen Wirkung durch die vorgegebene Drch/ahldiffcrcn/ noch erhöht und damit der Radsatz zwangsläufig destabilisieri. Allen drei Aiisfiihrtingsformcii ist somit jo gemeinsam, daß die angestrebte Wirkung allenfalls nur bei Rädern mit exakt konischen Laufflächen gewährleistet isl. Sobald sich ein Verschleißprofil ausbildet, sind die zweite und dritte Ausfülmmgsform unbrauchbar. Die erste Ausführungsform isl nur bei herabgesetzter Kreisvcrslärkiingdes Regelsystems brauchbar. Dann ist allerdings die Lficklivihil sehr gering, d. h. das aus einem Verschleiliprofil resultierende l'iilmings- und Stabilitäisverhallen des Radsatzes dominiert.

Im übrigen wird bei einem durch die DIM'S 9 ¹H) Ol I bekannten Radsalz 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 Losradsal/cs an der Schiene vermieden wird.

Demgegenüber lassen sich aber schließlich bei einer der im Oberbegriff des Anspruchs I angegebenen Ciattung entsprechenden Spiirfüliriing der DH-OS w 2b 14 16b grundsätzlich unerwünschte Auswirkungen eines Profilverschleißes der Laufflächen der Räder auf die Stabilität ohne Beeinträchtigung des f'iihrungsverhallens des Radsatzes vermeiden und demzufolge die VLTSL'hlciUgiinsiigcn Schmiegungsverhältnissc beim « Verschleißprofil weiterhin ausnutzen. Hier wird niimtich unter der Erkenntnis, daß im Falle von Losrädern (nur in bezug auf eine gemeinsame Achswelle) der aus großen Rollradiendifferen/cn der Räder resultierende destabilisierende (Längs-)Schlupf der Räder relativ zum Gleis im bo 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 Fahrzeuggcschwindigkcil vergrößert und mit abnehmender Fahr-/euggesehwindigkcit vermindert wird. Die grundsätzliche Wirkung der Kupplung ist hier in der Modulicrung der (Langs-JSchlupfkra/le /wischen 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 Gleisbögen 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 Radsatz-Sinusschwingungen, Seitenverschiebung des Radsatzes gegenüber der Gleismittelebene, am Rad einwirkende Querkräfte« einen beträchiJichen Aufwand an Meßstellen am Radsatz bzw. dem zugehörigen Gestell notwendig machen, d. h. an solcher Stelle, wo insbesondere aufgrund von Witt . ungseinflüsscn 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 ir-i Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Merkmalen den für die Steuerung der Kupplung am Radsatz bzw. Gestell notwendigen meßtechnischen Aufwand zu vermindern.

Diese Aufgabe isl mit den im Patentanspruch I gekennzeichneten Merkmalen gelöst, wonach zum einen solche Eingangsgrößen für den Regler verwendet werden, die meßtechnisch einfach und mn solchen Meßgeräten zu erhalten sind, die !eicht 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 durcliZufiihrui hat.

Diese Vorteile weiden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels der Erfindung und ihrer in den liiUeransprüchen gekennzeichneten Weiterbildungen weiter verdeutlicht. Hierzu zeigt die Zeichnung einen Längsschnitt durch einen Radsatz, dessen Achswelle I im Rahmen bzw. den l.ängsirägern 2 eines Drehgestells beispielsweise über eine — in lateraler und vertikaler Richtung weichen, dagegen in longiludinaler Richtung harten — Federung 3 angeordnet ist. Auf der Achswelle I sind die Räder 4 drehbar gelagert: die betreffenden nur symbolisch angedeuteten Radlager 5 können Wälzlager sein. Bei diesem Radsat/ sind die Rüder 4 jedoch keine sogenannten Losräder, d.h. zueinander lose auf der Achswelle 5 sitzende Räder. Denn die Räder 4 s:;id miteinander über eine (auch nur schematisch angedeutete) Kupplung 6 verbunden, wobei diese ein um die Achswelle ί drehbar angeordnetes Verbindungsmittel /wischen den Rädern isl und folglich mit ihnen umlaufen kann. Es handeil sich hierbei um eine steuerbare elektromagnetische Reibkupplung 6, bei der bekanntlich die Reibwirkung eines magnetisierbarcn F-iscnpulvers 6,1 zum Übertragen von Drehmomenten ausgenutzt wird und ein Schlupf durch Verändern eines Krregerstromcs auch im Lauf einstellbar isl.

Bei dem Radsatz hat die Kupplung 6 die Punktion, beim Lauf längx des Gleises 7 im Falle eines Rollradienunterschicdes der Räder 4 eine Difl'erenzdrehzahl im Sinne einer Stabilisierung des Radsatzes zuzulassen, also den Längs-Schlupf der Räder zu

vermindern. Dies gilt vor iilleni, wenn sich das sogenannte Verschlcißprofil bei den Rädern 4 einstellt. Dunn hat bekanntlich der klassische l'estnulsai/ ein gutes Rihrungsverhaltcn. jedoch sind infolge des VerschlciOprofils die Stabilitätsbedingungen aufgrund einer großen Rollradiendiffercn/ und damit eines großen Längs-Schlupfes der Räder relativ /um 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 /u werden, um den I.iings-Schlupf der Rüder 4 zum Gleis 7 /u vermindern. Die Kupplung 6 ist demnach bei dem Radsat/ ein geeignetes Stellglied, mittels dessen der gesamte aus der Rollradiendifferen/ der Räder 4 resultierende Schlupf in einerseits I.iings-Schlupf der Räder /um Gleis 7 und andererseits Schlupf in der Kupplung aufteilbar ist. Somit ist tier Radsatz dynamisch unabhängig vom Radprofilver· schleif!. Was das Rihrungsvcrhallcn 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, dall der Radsalz als ein I-"estradsatz wirkt. Hei 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 vv eiteren hervorgeht, vv ird zu den vorgenannten Zwecken die Kupplung 6 nach Mallgabe eines Reglers 8 gesteuert, beispielsweise ein Zustandsiegier, der einen Vorgabewert Λ/,,, des Kupp lungsmoments errechnet. Dem Regler 8 werden hierzu zum einen außer (z. H. über einen Tachogenerator erhaltenen) Meßwerten der Eahr/euggeschwindigkeit ι Meßwerte der Drehzahlen ii\. /)> beider Rüder 4 zugeführt. Die Drehzahlmessimg kann durch auf den beiden — den Kupplungshälftcn β.2, 6.3 zugeordneten — llohlwellenteilen 6.4 bzw. 6.5 sitzenden Drehzahl messern 13 geschehen. Zum anderen wird dem Regler 8 ein Scliüt/wert ft des jeweiligen wirksamen Gleisbogen-

.I-,- U -O

durch entsprechendes Verändern des Erregerstromes (Momentvorgabewerl Λ/,,,) bewirkten — Steuern des Schlupfes der Kupplung 6. nämlich mit zunehmender Fahrzeuggeschwindigkeii zunehmend und mit abnehmender l'ahrzeuggcschwindigkcit abnehmend, zwischen einem stabilisierenden (Kupplungs-)Momenlenanieil und einem führenden (Kiipplungs-)Momcntcnanleil. Dabei ist der stabilisierende Momentenanieil proportional zur Differenz.drehzahl /»> — it\ und umgekehrt proportional zur Eahr/ctiggeschwindigkeil v. Der führende Momentenanteil ist umgekehrt proportional zum jeweiligen wirksamen Glcisbogenradiiis ft. Somit ist für die Gerade im wesentlichen der stabilisierende Momenlenanteil maßgebend, welcher mit zunehmender Eahrzeuggeschwindigkeit 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 Stabililatsv erhallen. Das gute I ührungsv erhalten des Radsatzes wird demgegenüber durch Erhöhung des führenden (Kuppliings-)Momentenanteils sichergestellt, d. h. durch Verringern des Schlupfes der Kupplung.

Aufgrund der vorbeschriebenen Ansteuerung der Kupplung 6 hat dieser Radsalz einerseits eine kleine dynamisch wirksame Konizität bezüglich der Siahiliiüi seiner Bewegungen um den jeweiligen Arbeitspunki »Berührungspunkt Rad Schiene« und damit eine hohe kritische Geschwindigkeit. Andererseits ist die Arbcilsptinktauswandcriing. charakterisiert durch die Rihrahweichung. durch den führenden (Kuppliings ) Monientenanteii so begrenzt, daß nur das verfügbare Spurspiel ausgenutzt und die Reaktion auf freie .Seitenkräfte, wie sie in Kurven auftreten, verbessert wird.

|e nach Notwendigkeil kann der vorbeschriebene Regler 8. welcher also den Vorgabewert Λ/,,, für das Kupplungsmoment Λ/,, errechnet und als Spannung an die Kupplung 6 anlegt, auch Netzwerke zur Korrektur des dynamischen Verhaltens und der Nichtlineariiüien (wie Hysterese) der Kupplung enthalten. Die Kupplung 6 wird im Vorbeschriebenen momentgesteuerl beirie-

ruiitv iwttitt im

ten f'ahrzeuggeschwindigkeit ι und am Gestell (Längsträger 2) wirksame freie yuerbeschleunigung ,ι ermittelt wird: je nach Genaugikeitsanforderungen wird für diese Ermittlung auch noch die Gleisüberhöhung Ah gemessen. Diesen wirksamen Gleisbogenradiuswert ft erhält der Regler 8 z. B. von einem Mikroprozessor 14. dem die jeweilige freie Querbeschleunigung n von einem in Drehgestellniitte sitzenden Beschleunigungsmesser und die Cieisiiberhöhung Ah über ein z. B. auch am Drehgestell befindliches Neigungsmeßgerät vermittelt werden kann. Aufgrund dieser Eingangswerte Fahrzeuggeschwindigkeit v. Drehzahlen n,. n₂ und Gleisbogenradius ft unterscheidet der Regler 8 beim —

ίο

6 aber auch momentgeregelt betrieben werden (closedloop-Betrieb), wozu dann gemäß der Zeichnung eine Rückführung des gemessenen Kuppliingsmomenies \/,. vorzusehen wäre. In diesem lall kann die Messung ties Kupplungsmomcntes Λ/.. in üblicher Weise mittels eines Dehnungsmeßstreifens 12 an einer der beiden llohlwellentcile 6.4 oder 6.5 geschehen.

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

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche;

), Spurfübrung 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, d a durch gekennzeichnet, daß dem Regler(8) Meßwerte der Drehzahlen (ti\, /fe) 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-JMomentcnanteil, der proportional zur Differen/.drehzahl (ni— P\) und umgekehrt proportional zur Fahrzcuggeschwindigkcit (v) ist, und einen führenden (Kuppliings-)Momcntcnantcil, der umgekehrt proportional zum wirksamen Glcisbogcnradius ist, berücksichtigt.
2. Spurführung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß der Cileisbogcnnidiuswcrt (R) zumindest aus den Meßwerten Fahrzeuggeschwindigkeit (v) und am Gestell wirksame freie Querbeschleunigung f.ijcrmitteli ist.
3. Spurfiilirung nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet dall für die ({-■nittlung de:. Gleisbogcnradiuswertes f Z?/¹ zusätzlich die Cilcisübcrhöhung (zl/j/¹ gemessen wird.
4. Spurführung nach Anspruch I. dadurch gekennzeichnet. d;iß dem Regler (8) Meßwerte des Kupplungsmomenies (M_n) zugeführt werden.