DE3345260A1

DE3345260A1 - Schienenfahrzeug mit elektroantrieb

Info

Publication number: DE3345260A1
Application number: DE19833345260
Authority: DE
Inventors: Götz 8130 Starnberg Heidelberg
Original assignee: Magnet Motor Gesellschaft fuer Magnetmotorische Technik GmbH
Current assignee: L3 Magnet Motor GmbH
Priority date: 1983-12-14
Filing date: 1983-12-14
Publication date: 1985-06-27
Anticipated expiration: 2003-12-15
Also published as: DE3345260C2

Description

Beschreibung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Schienenfahrzeug mit Elektroantrieb.
Das Lauf- und Verschleißverhalten eines konventionellen Eisenbahnradsatzes mit starrer Achse unterliegt bestimmten, von der Laufgeometrie und den Reibungsverhältnissen zwischen Rad und Schiene abhängigen Gesichtspunkten. Dabei schließen sich günstige Laufeigenschaften, erreicht durch eine kegelige Lauffläche, und hohe Laufleistungen, erreicht durch ein dem Verschleißverhalten angepaßtes und sich dadurch erhaltendes Profil, gegenseitig in einem gewissen Umfang aus.
Kriterium für gute Laufeigenschaften ist dabei ein stabiler Radsatzlauf ohne Anlauf der Spurkränze an der Fahrkante der Schiene. Die Geschwindigkeit, bis zu der dieser erreicht wird, hängt dabei neben der Art der Anlenkung des Radsatzes, seinen Abfederungen, Dämpfungen und den Massenverhältnissen im Achs- bzw. Drehgestellbereich insgesamt auch ab von den Veränderungen des ursprünglich kegeligen Laufprofil.s in Richtung Verschleißprofil.
Die Laufeigenschaften herkömlicher Radsätze werden insbesondere auch durch die durch die starre -Achse des Radsatzes erzwungene gleiche Winkelgeschwindigkeit bei beiden Rädern negativ beeinflußt. Dies kommt vor allem dann zum Tragen, wenn der Verschleiß der beiden Räder eines Radsatzes unterschiedlich ist. Die Neigung des Radsatzes zum Anlaufen nimmt stark zu.
Während bei nicht angetriebenen Achsen zur Lösung dieses Problems eine definierte Freigabe der Drehbewegung der Räder einer Achse (sog. Losräder) möglich ist, ist bei angetriebenen Rädern eine Lösung für dieses Problem noch nicht bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Schienenfahrzeug mit Elektroantrieb derart weiterzubilden, daß auch bei hohen Geschwindigkeiten ein Anlaufen der Spurkränze der angetriebenen Räder an der Fahrkante der Schiene vermieden werden kann.
Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist mit ihren Ausgestaltungen in den Patentansprüchen geennzeichnet, Erfindungsgemäß wird eine Relativbewegung der beiden Räder eines Radsatzes oder der verschiedenen Räder in einem Drehgestellrahmen oder einem Fahrzeugrahmen dadurch erzwungen, daß jedes Rad für sich angetrieben wird, und die Drehzahlen bzw. die Antriebsmomente der verschiedenen Räder mittels ihrer Einzelantriebe in Abhängigkeit vom jeweiligen Laufverhalten unter BerücKsichtighng der Zugkraftanforderung gesteuert werden. Diese Relativdrehbewegung der Räder führt zu einer- Lenkbewegung des Radsatzes, die eine eventuelle Wendebeweguhg des Radsatzes im Anfangsstadium korrigiert; anders ausgedrückt, richtet ein zusätzliches Moment den nacheilenden Radsatz wieder in Laufrichtung aus, so daß es nicht zum Spurkranzanlauf kommt.
Da durch die Erfindung ein Anlaufen der Spurkränze an der Fahrkante vermieden wird, verschleißen die Räder nicht -wie bei herkömmlichen Radsätzen - aufgrund des Anlaufens, so daß die Lebensdauer eines Radsatzes wesentlich erhöht wird.
Die Zugkraftsteuerung kann dabei z.B. quasistatisch über das Erfassen der jeweiligen Radlast, beispielsweise mit einer Luftfeder etc., oder über das Schlupfverhalten erfolgen.
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet: Bei einem Schienenfahrzeug mit Drehgestellen ist es gemäß Anspruch 2 vorteilhaft, die Elektromotore für die angetrle-= benen Achsen im Drehgestell selbst unterzubringen.
Zur Verwirklichung der Erfindung ist es erforderlich, daß die beiden Räder einer Achse rotatorisch freizügig sind.
Hierzu können beispielsweise die Räder gemäß Anspruch 3 Losräder oder gemäß Anspruch 4 einzeln aufgehängt sein.
Besonders vorteilhaft ist es, gemäß Anspruch 5 als Elektromotore sog. multiple elektronisch gesteuerte Dauermagnetmotore zu verwenden. Derartige Elektromotore sind beispielsweise in der DE-OS 30 42 497 beschrieben. Sie haben den Vorteil, daß Drehmoment und Drehzahl weitgehend unabhängig voneinander gewählt werden können. Dies erlaubt z.B. den Verzicht auf ein Getriebe. Darüberhinaus ist eine sehr feine Steuerung dieser Elektromotore möglich.
Für die Zugkraftübertragung zwischen Rad und Schiene ist der Haftwert in Rollrichtung ausschlaggebend, der außer vom Oberflächenzustand auch von den augenblicklichen Abrollverhältnissen abhängt. Insbesondere geht der für die Wendebewegung eines Radsatzes in Anspruch genommene Haftwert etwa nach vektorieller Addition ab von dem in Laufrichtung verfügbaren Haftwert. Ferner ist zu beachten, daR dynamische oder quasistatische Änderungen der Radlast durch Achsentlastung, Drehgestellentlastung oder auch Radentlastungen quer zur Fahrtrichtung die übertragbare Zugkraft vermindern.
Durch die gemäß Anspruch 6 vorgesehene Steuerung des Drehmoments mit Priorität für die Zugkraftanforderung erhält man beim Anfahren eine optimale Beschleunigung, ohne daß der Verschleiß ansteigen würde.
Bei hohen Geschwindigkeiten ist andererseits der instabile Radsatzlauf ein Problem. Durch die Regelung mit der Korrektur der Wendebewegung gemäß Anspruch 7 können die stabile Fahrgeschwindigkeit auf mehr als 300 km/h und die Laufleistung der Radsätze deutlich angehoben werden.
Der Beginn einer Wendebewegung eines Radsatzes kann auf die verschiedensten Arten erfaßt werden. Besonders vorteilhaft ist es gemäß Anspruch 8, die Schlupfunterschiede der Räder eines Radsatzes als Kriterium für das Auftreten einer Wendebewegung heranzuziehen. U.a. ist nämlich auch ein unterschiedlicher Längsschlupf für das Auftreten einer Wendebewegung erforderlich Dabei wird das Drehmoment derart geregelt, daß der Schlupf an den beiden Rädern einer Achse in etwa gleich ist, und beispielsweise in der Größenordnung von einigen Prozent beim Beschleunigen liegt. Hierdurch ergibt sich-die gunstigste, weil niedrigmöglichste Haftwertausnutzung an jedem Einzelrad. Damit ist die Wahrscheinlichkeit für Schleudern, Gleiten etc. oder Wendebewegungen. des Radsatzes gering, so daß auch die Notwendigkeit eines stärkeren Eingreifens in das Drehmomentverhalten vermieden wird.
Möglichkeiten der erfindungsgemäß eingesetzten Schlupfsteuerung sind in den Ansprüchen 9-12 gekennzeichnet.
Im Anspruch 9 ist eine besonders einfache Möglichkeit der Schlupferfassung gekennzeichnet.
Die in den Ansprüchen 10-12 angegebenen Möglichkeiten eignen sich insbesondere zur Korrektur einer Wendebewegung im Anfangsstadium dadurch, daß der Schlupf der einzelnen angetriebenen Räder erfaßt und das Drehmoment des jeweiligen Antriebsmotors derart geregelt wird, daß der Schlupf (d.h. der sog. Mikroschlupf oder auch der Schlupf im Bereich von einigen Prozent) für die beiden Räder eines Radsatzes gleich ist.
Drehzahländerungen, deren Feinsterfassung für eine Schlupfregelung bevorzugterweise als Kriterium verwendet werden, können auftreten durch: 1. Beschleunigen und Verzögern - äußert sich in einer gleichmäßigen, langsamen Änderung der Drehzahl aller Räder.
2. Schleudern und Gleiten - äußert sich in einem Drehzahlabfall des oder der betroffenen Räder.
3. Wendebewegung eines Radsatzes - äußert sich in einer periodischen Änderung Drehzahl Rad rechts gegen Rad links.
Diese einzelnen Einflußfaktoren für Drehzahländerungen lassen sich trennen. Damit ermöglicht die Feinststeuerung der Drehzahl eine präzise Korrektur der Wendebewegung.
Der Drehzahlvergleich kann dabei für die jeweiligen Radsätze jeweils einzeln oder mit einem Mittelwert aus den Drehzahlen der restlichen Räder erfolgen.
Für die Drehzahlmessung können dabei die Methoden herangezogen werden, sofern sie nur ein hinreichend genaues Ergebnis liefern, beispielsweise Drehzahlmessungen, bei denen ein Vergleich mit einem Quarznormal erfolgt.
Eventuell erforderliche Geschwindigkeitsmessungen können dabei mit einem separaten Meßradsatz, vorzugsweise mit zylindrischer Lauffläche, mit einer Radarmessung beispielsweise gegen das Schotterbett, etc. vorgenommen werden. Der M Rradsatz kann dabei auch zur Drehzahlmessung bzw. zum Drehzahlvergleich herangezogen werden.
In jedem Falle ist es jedoch vorteilhaft, wenn gemäß Anspruch 13 zusätzlich der Durchmesser des Rades erfaßt wird, also praktisch nicht allein Drehzahlen, sondern Umfo9sqe schwindigkeiten der Räder verglichen werden.
Gemäß Anspruch 14 kann der erfindungsgemäße Grundgedanke, Wendebewegungen, d.h. instabilen Radsatzlauf durch entsprechende Steuerung der Einzelantriebe für jeden Radsatz im Anfangsstadium zu korrigieren, auch beim Bremsbetrieb eingesetzt werden. Dies ist insbesondere bei einer Motorsteuerung über einen sog, 4-Quadranten-Steller ohne weiteres möglich.
Bei der Korrektur einer Wendebewegung im Bremsbetrieb finden die vorstehend entwickelten Grundgedanken sinngemäß Anwendung.

Claims

Schienenfahrzeug mit Elektroantrieb Patentansprüche Schienenfahrzeug mit Elektroantrieb, dadurch gekennzeichnet, daß für jedes angetriebene Rad ein eigener Elektromotor vorgesehen ist, dessen Drehmoment eine Steuereinheit zusätzlich zur Steuerung entsprechend der Zugkraftanforderung so regelt, daß eine Wendebewegung des Radsatzes im Anfangsstadium korrigierbar ist;
2. Schienenfahrzeug mit Drehgestellen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektromotore in den Drehgestellen untergebracht sind.
3. Schienenfahrzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Räder Losräder sind.
4. Schienenfahrzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daS die Räder einzeln aufgehängt sind.
5. Schienenfahrzeug nach einem der Ansprüche t-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektromotore multiple elektronisch gesteuerte Dauermagnetmotore gemäß der Patentanmeldung P 30 42 497.6 sind.
6. Schienenfahrzeug nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß bei niedrigen Geschwindigkeiten und insbesondere beim Anfahren die Steuereinheit das Drehmoment mit Priorität entsprechend der Zugkraftanforderung steuert.
7. Schienenfahrzeug nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß bei hohen Geschwindigkeiten und insbesondere bei hohen gleichbleibenden- Geschwindigkeiten die Regelung des Drehmoments zur Korrektur einer Wendebewegung im Anfangsstadium Priorität hat.
8. Schienenfahrzeug nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit zur Korrektur einer Wendebeweung im Anfangsstadium die Drehmomente der verschiedenen Elektromotore so regelt, daß der Schlupf der angetriebenen Räder mindestens für jede Achse in etwa gleich ist.
9. Schienenfahrzeug nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit zur Ermittlung des Schlupfes die Drehzahl des jeweiligen angetriebenen Rades mit der gemessenen Ceschwindigkeit vergleicht.
10.Schienenfahrzeug nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Schlupfsteuerung die Steuereinheit die Drehzahl jedes angetriebenen Rades erfaßt, und mit der Drehzahl des anderen Rades der jeweiligen Achse vergleicht.
11.Schienenfahrzeug nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit die Drehzahl jedes angetriebenen Rades erfaßt, und mit der gemittelten Drehzahl einer großen Zahl anderer Räder vergleicht.
12. Schienenfahrzeug nach einem der Ansprüche 8-11, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung den Durchmesser der angetriebenen Räder erfaßt und den Durchmesserwert dem gemessenen Drehzahlwert überlagert.
13. Schienenfahrzeug nach einem der Ansprüche 10-12, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung zusätzlich zur Erfassung der Drehzahl und gffls. des Durchmessers der angetriebenen Räder die Geschwindigkeit des Fahrzeugs mißt, und mit der Drehzahl und gffls. dem Durehmesserwert vergleichtz
14. Schienenfahrzeug nach einem der Ansprüche 1-13, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung zur Korrektur einer Wendebewegung auch im Bremsbetrieb erfolgt.