DE3727768C1 - Verfahren zur Erzeugung eines Ansteuersignales fuer die gleisbogenabhaengige Neigung eines Wagenkastens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Ansteuersignales für die gleisbogenabhängige Neigung eines um seine Längsachse drehbar am Fahrgestell eines Schienenfahrzeuges angebrachten Wagenkastens, gemäß dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 bzw. 6.

Beim Durchfahren von Gleisbögen wird die maximal zulässige Fahrgeschwindigkeit von Personen befördernden Schienenfahrzeugen im wesentlichen von zwei Einflußfaktoren bestimmt, nämlich der freien Seitenbeschleunigung, die aus Fahrkomfortgründen für den Passagier zugelassen ist, sowie der zugelassenen Überhöhung der kurvenäußeren Schiene. Eine Erhöhung der zulässigen Geschwindigkeit ohne Verletzung der o. g. Grenzwerte ist durch eine Neigung des Wagenkastens gegenüber dem Fahrgestell um seine in Fahrtrichtung orientierte Längsachse möglich. Diese Neigung des Wagenkastens kann entweder passiv durch eine entsprechende Lage der Drehachse gegenüber dem Wagenkastenschwerpunkt herbeigeführt oder durch ein aktives Stellglied erzwungen werden. Als Bezugssignal für dieses Stellglied wird allgemein ein Meßsignal für die Querbeschleunigung b verwendet, welche senkrecht zur jeweiligen Fahrtrichtung sowie parallel zur Gleisebene gerichtet ist.

Das Meßsignal für die Querbeschleunigung b enthält neben den trassierungsbedingten, niederfrequenten Anteilen auch höherfrequente Anteile, die aus der Eigendynamik des Fahrzeuges herrühren. Wird der letztgenannte Signalanteil durch Filterung entfernt, so ergibt sich dadurch für den niederfrequenten, tras­ sierungsbedingten Anteil eine unerwünschte Zeitverzögerung. Um diese zu kompensieren, ist es bekannt, ein Korrektursignal zu verwenden, das aus dem Überhöhungsaufbau im Übergangsbogen d. h. aus dem orts- bzw. beim Durchfahren zeitveränder­ lichen Verlauf der Überhöhung der äußeren gegenüber der inneren Schiene, abgeleitet wird. Dieser Überhöhungsaufbau kann über einen Kreisel in dem zu regelnden Wagen erfaßt werden.

Ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung der eingangs genannten Art ist aus der deutschen Patentschrift 22 05 858 bekannt. Gemäß der dortigen Figur 8 sind Meßwertgeber für die Querbeschleunigung b, die Fahrtgeschwindigkeit v sowie die Winkelgeschwindigkeit ω um die Wagenlängsachse vorhanden. Das Meßsignal für die Querbeschleunigung b wird zur Unterdrückung höherfrequenter Signalanteile einem Tiefpaßfilter zugeführt. Dies führt zu einer unerwünschten Signalverzögerung. Bei der Erzeugung des gewünschten Ansteuersignals zur Einleitung der Wagenkastenneigung werden daher zwei Arbeitsphasen unterschieden. In einer ersten Phase wird das Ansteuersignal im wesentlichen von dem Meßsignal für die Fahrzeuggeschwindigkeit abgeleitet. Letzteres wird dazu einer Impulsformerschaltung zugeführt, welche ein mit der Fahrzeuggeschwindigkeit treppenförmig ansteigendes Ausgangssignal abgibt. Während dieser ersten Phase, welche etwa eine Sekunde lang andauert, wird das Ansteuersignal demnach nicht in Abhängigkeit von den realen Gegebenheiten der Trasse, d. h. dem real vorhandenen Verlauf der Schienenüberhöhung im Eingangsbogen der Kurve bestimmt.

Diese auf schematische Weise erfolgende Signalbildung ist verbesserungsbedürftig.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, mit deren Hilfe das gewünschte Ansteuersignal auf einfache und effektive Weise erzeugt werden kann, wobei die realen Gegebenheiten des Schienenverlaufs möglichst weitgehend berücksichtigt werden.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch die in den kennzeichnenden Teilen der Patentansprüche 1 bzw. 6 beschriebenen Verfahrens- bzw. Vorrichtungsmerkmale gelöst.

Demnach wird auch das Meßsignal für die Winkelgeschwindigkeit ω einem Tiefpaßfilter zugeführt, welches analog zu demjenigen ausgebildet ist, in dem die höherfrequenten Anteile des Meßsignals für die Querbeschleunigung ausgefiltert werden. Aus dem Meßsignal v für die Fahrzeuggeschwindigkeit wird ein im wesentlichen quadratisch davon abhängiges Geschwindigkeitssignal gebildet und mit dem Ausgangssignal des das Meßsignal für die Winkelgeschwindigkeit ω aufnehmenden Tiefpaßfilters einem Multiplizierglied zugeführt. Das dort gebildete Produktsignal wird zusammen mit dem gefilterten Meßsignal für die Querbeschleunigung einem Summationsglied zugeführt, welches ausgangsseitig das gewünschte Ansteuersignal abgibt.

Zwar weist auch hier das dem Tiefpaßfilter für das Meßsignal der Querbeschleunigung b entnommene Ausgangssignal eine Zeitverzögerung auf, jedoch wird in das Summationsglied noch das Produktsignal des Multiplikationsgliedes eingeführt, welches auf dem im Übergangsbogen einsetzenden Überhöhungsaufbau mit einer wesentlich größeren Anstiegsgeschwindigkeit reagiert. Dieses Signal ist gleich zu Beginn von den realen Gegebenheiten der gerade durchfahrenden Gleisanlage, repräsentiert durch das die beim Einfahren zunehmende Gleisüberhöhung wiedergebende Meßsignal für die Winkelgeschwindigkeit ω, unter Einbeziehung der jeweils vorhandenen Fahrtgeschwindigkeit abhängig. Damit wird ein den realen Gegebenheiten sehr gut angepaßtes, vom hochfrequenten Rauschen befreites sowie die Zeitverzögerung kompensierendes Ansteuersignal gewonnen.

Weitere Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind den Verfahrensunteransprüchen zu entnehmen.

Bei einer Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 6 ist die o. g. Aufgabe dadurch gelöst, daß dem Meßwertgeber für die Winkelgeschwindigkeit ω ein zweites, zum ersten analoges Tiefpaßfilter nachgeschaltet, ein eingangsseitig mit einem Multiplizierglied und mit dem Ausgang des ersten Tiefpaßfilters verbundenes, ausgangsseitig das Ansteuersignal abgebendes Summationsglied vorhanden ist und das Multiplizierglied eingangsseitig mit dem Ausgang des zweiten Tiefpaßfilters sowie dem Ausgang einer Rechenvorrichtung zur Erzeugung eines im wesentlichen vom Quadrat der Fahrzeuggeschwindigkeit v abhängigen Geschwindigkeitssignals verbunden ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind den Vorrichtungsunteransprüchen zu entnehmen.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Abbildung näher erläutert. Diese zeigt in schematischer Weise ein Blockschaltbild, welches sowohl das erfindungsgemäße Verfahren als auch die zugehörige Vorrichtung repräsentiert.

Ein Meßwertgeber 1 gibt an seinem Ausgang ein die Querbeschleunigung b repräsentiertes Signal ab. Der Meßwertgeber 1 ist zweckmäßig am Fahrgestell des Schienenfahrzeuges montiert und mißt die senkrecht zur Fahrgeschwindigkeit und parallel zur Gleisebene gerichtete Querbeschleunigung b. Das Ausgangssignal des Meßwertgebers 1 gelangt zu einem Tiefpaßfilter 4, welches erster Ordnung ist, und welches durch in der Regelungstechnik hierfür übliche Komponenten verwirklicht sein kann. Das Ausgangssignal des Tiefpaßfilters 4 wird schließlich einem Summationsglied 7 zugeführt.

Ein weiterer Meßwertgeber 2, beispielsweise ein Kreisel, mißt die um die Fahrzeugachse auftretende Winkelgeschwindigkeit ω. Das entsprechende Ausgangssignal wird einem zweiten Tiefpaßfilter 5 zugeführt, welches zweckmäßig dieselbe Eckfrequenz 2f/T aufweist. Das Ausgangssignal dieses Tiefpaßfilters 5 gelangt an den einen Eingang eines Multipliziergliedes 6, dessen Ausgangssignal ebenfalls dem Summationsglied 7 zugeführt wird.

Ein dritter Meßwertgeber 3 schließlich erzeugt ein die Fahrzeuggeschwindigkeit v repräsentierendes Ausgangssignal, welches einmal den beiden Eingängen eines zweiten Multipliziergliedes 8 und zum anderen einem Kennlinienglied 10 zugeführt wird. Das zweite Multiplizierglied 8 erzeugt ein dem Quadrat der Fahrzeuggeschwindigkeit entsprechendes Ausgangssignal, welches einem dritten Multiplizierglied 9 zugeführt wird. Das Kennlinienglied 10 erzeugt ein von der Fahrzeuggeschwindigkeit v abhängiges, einen reziproken Proportionalitätsfaktor 1/c repräsentierendes Ausgangssignal, welches an den anderen Eingang des dritten Multipliziergliedes 9 gelangt. Wie in dem Block für das Kennlinienglied 10 dargestellt, hat dessen Ausgangssignal für die Fahrzeuggeschwindigkeit v=0 einen bestimmten, vorgebbaren Wert und nimmt hier mit absolut zunehmender Fahrzeuggeschwindigkeit v kontinuierlich ab. Das Ausgangssignal des dritten Multipliziergliedes 9 wird einem zweiten Summationsglied 18 zugeführt, wo ein die Erdbeschleunigung g repräsentierendes Signal subtrahiert wird. Das sich so ergebende Differenzsignal gelangt schließlich an den anderen Eingang des Multipliziergliedes 6. Dieses Differenzsignal repräsentiert den Ausdruck (v²/c-g).

Die Struktur dieses Blockschaltbildes basiert auf den folgenden Überlegungen. Die Querbeschleunigung b kann nach der Beziehung zerlegt werden:

Der erste Term dieser Formel enthält bereits die erwünschte Filterung für den Meßwert der Querbeschleunigung. Hierbei bedeutet T die Filterzeitkonstante und p den Differentialoperator. Der zweite Term läßt sich folgendermaßen umformen:

Hierbei bedeuten v die Fahrzeuggeschwindigkeit, r den Kurvenradius, g die Erdbeschleunigung sowie ϕ den Querneigungswinkel bzw. Überhöhungswinkel der Gleisebene (Überhöhung der in der Kurve äußeren gegenüber der inneren Schiene). Für die trassierungsüblichen Querneigungswinkel ( ϕ0,1 rad) ist die folgende Näherung zulässig:

Mit einer festen Beziehung zwischen Kurvenradius und Querneigungswinkel mit dem Proportionalitätsfaktor c gilt:

Damit ergibt sich

bzw.

Hier ist ω die Winkelgeschwindigkeit des Schienenfahrzeugs um seine Längsachse bzw. die zeitliche Änderung des Querneigungswinkels der Gleisebene. Durch Einsetzen von (6) in (1) ergibt sich:

Die Struktur dieser Formel für das Ansteuersignal wird durch das Blockschaltbild wiedergegeben. Dort ist das Ansteuersignal gleich dem Ausgangssignal des Summationsgliedes 7. Eine Auswertung der Trassierung bereits bestehender Strecken ergibt, daß die vorstehend angesetzte Beziehung (4) mit c=const nur unzureichend erfüllt wird und mit 1/c=f(v), wie in dem Block des Kennliniengliedes 10 graphisch beispielhaft wiedergegeben, eine wesentlich bessere Annäherung erzielt werden kann.

Beim Einfahren in einen Gleisbogen gelangt das Schienenfahrzeug im allgemeinen zunächst auf einen Übergangsbogen, in welchem die Krümmung beispielsweise linear von 0 auf einen bestimmten Endwert zunimmt, welcher dann innerhalb des Bogens über eine gewisse Länge konstant gehalten wird, um dann schließlich in einem weiteren Übergangsbogen wieder auf Null abzufallen. Fährt ein Schienenfahrzeug in den Übergangsbogen ein, so erfolgt dort gleich zu Beginn wegen der einsetzenden Querneigung eine Dehnung des Fahrgestells um seine Längsachse. Die dabei auftretende Winkelgeschwindigkeit ω wird umso höher sein, je größer die momentane Fahrzeuggeschwindigkeit v ist. Während der Querneigungswinkel ϕ nur allmählich ansteigt, wird die Winkelgeschwindigkeit l gleich zu Beginn steil ansteigen, bei einem klotoidenförmigen Übergangsbogen etwa einer Sprungfunktion entsprechend. Bei einem bestimmten Verlauf der Fahrzeuggeschwindigkeit v, welche vom Überhöhungsverlauf abhängt, wird keine Querbeschleunigung b auftreten. Dann wird die Zentrifugalkomponente die durch die Erdbeschleunigung bedingte Komponente gerade kompensieren, und das dem Multiplizierglied 6 vom Summationsglied 18 her zufließende Eingangssignal wird demzufolge gleich Null sein. Das Summationsglied 7 wird dann an keinem seiner beiden Eingänge ein von Null verschiedenes Eingangssignal empfangen, und das an seinem Ausgang zu entnehmende Ansteuersignal wird demnach ebenfalls gleich Null sein.

Fährt das Schienenfahrzeug nun mit einer von dem oben geschilderten Idealfall abweichenden, insbesondere höheren Fahrzeuggeschwindigkeit v in den Übergangsbogen ein, so erhält das Tiefpaßfilter 5 sofort ein steil ansteigendes Eingangssignal beträchtlicher Höhe. So wird am Ausgang des Tiefpaßfilters 5 sofort ein erheblich schneller ansteigendes Signal zur Verfügung stehen als am Ausgang des Tiefpaßfilters 4. In einer ersten Phase wird demnach das Ansteuersignal am Ausgang des Summationsgliedes 7 vorwiegend durch diesen vom Meßwertgeber 2 für die Winkelgeschwindigkeit ω stammenden Anteil bestimmt sein.

Da es nicht erwünscht ist, daß die gleisbogenabhängige Wagenkastensteuerung beim Durchfahren von Weichenfeldern in Bahnhofsein- und -ausfahrten in Aktion tritt, sind noch Maßnahmen vorgesehen, um die Steuerung erst beim Überschreiten gewisser Grenzwerte zu aktivieren. Hierzu liegen am Ausgang des Summationsgliedes 7 in paralleler Anordnung zwei Schwellwertschalter 13 und 14, deren Ausgänge anschließend wieder zusammengeführt sind. Der Schwellwertschalter 13 ist geöffnet, solange die vom Meßwertgeber 2 gemessene Winkelgeschwindigkeit ω unterhalb eines vorwählbaren Grenzwertes ε₁ liegt. Ebenso ist der Schwellwertschalter 14 geöffnet, solange der Querneigungswinkel ϕ unterhalb eines vorbestimmbaren Grenzwertes ε₂ liegt. Der aktuelle Wert für den Querneigungswinkel ϕ wird einem Integrator 15 entnommen, welchem an seinem Eingang das vom Meßwertgeber 2 abgegebene Signal für die Winkelgeschwindigkeit ω zugeführt wird. Das Ansteuersignal gelangt also dann zur Weiterverarbeitung, wenn entweder ω oder ϕ ihre jeweiligen Grenzwerte überschreiten, was im allgemeinen nicht gleichzeitig der Fall sein wird. Abgeschaltet wird die Wagen­ kastensteuerung hingegen erst dann, wenn beide Grenzwerte unterschritten sind.

Durch diese Schaltbedingungen werden neben der Abschaltung in Weichen aufgrund der fehlenden Überhöhung im abzweigenden Ast noch zwei weitere erwünschte Effekte erreicht. Einmal ist die gleisbogenabhängige Wagenkastensteuerung bei Fahrt in der Geraden abgeschaltet, so daß eine Einkoppelung niederfrequenter Anteile der Laufdynamik in die Wagenkastensteuerung verhindert wird. Zum anderen bleibt die gleisbogenabhängige Wagenkastensteuerung auch bei niedriger Geschwindigkeit in überhöhten Kurven funktionsfähig, wobei im Falle eines signalbedingten Haltes in einer Kurve die dann unerwünschte Überhöhung durch das System kompensiert wird.

Claims (8)

1. Verfahren zur Erzeugung eines Ansteuersignals für die gleisbogenabhängige Neigung eines um seine Längsachse drehbar am Fahrgestell eines Schienenfahrzeuges angebrachten Wagenkastens, unter Verwendung von Meßsignalen für die Fahr­ zeuggeschwindigkeit v, die Winkelgeschwindigkeit ω des Fahrgestells um seine in Fahrtrichtung orientierte Längsachse und die senkrecht zur Fahrtrichtung sowie parallel zur Gleisebene gerichtete Querbeschleunigung b, wobei letzteres Meßsignal einem ersten Tiefpaßfilter zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßsignal für die Winkelgeschwindigkeit ω einem zweiten, dem ersten (4) analogen Tiefpaßfilter (5) zugeführt, dessen Ausgangssignal in einem Multiplizierglied (6) mit einem im wesentlichen dem Quadrat der momentanen Fahrzeuggeschwindigkeit v proportionalen Geschwindigkeitssignal multipliziert und das Ansteuersignal einem Summationsglied (7) entnommen wird, dessen Eingängen die Ausgangssignale des ersten Tiefpaßfilters (4) sowie des Multipliziergliedes (6) zugeführt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Tiefpaßfilter (4, 5) erster Ordnung mit gleichen Eckfrequenzen 2π/T verwendet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Geschwindigkeitssignal gemäß der Vorschrift (v²/c-g) gebildet wird, wobei c die Proportionalitätskonstante in der Beziehung r=c/ϕ zwischen dem Gleisbogenradius r und dem Winkel ϕ der Gleisüberhöhung und g die Erdbeschleunigung be­ deuten.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine mit der Fahrzeuggeschwindigkeit v veränderliche Pro­ portionalitätskonstante c=c (v) gewählt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ansteuerungssignal zwei parallel angeordneten Schaltern (13 und 14) zugeführt wird, welche das Signal nur dann weiterleiten, wenn entweder der Meßwert für die Winkelgeschwindigkeit ω, oder dessen Zeitintegral (15) vorgebbare Grenzwerte (12; 16) über- bzw. unter­ schreiten.

6. Vorrichtung zur Erzeugung eines Ansteuersignals für die gleisbogenabhängige Neigung eines um seine Längsachse drehbar am Fahrgestell eines Schienenfahrzeuges angebrachten Wagenkastens mit Meßwertgebern für die Fahrzeuggeschwindigkeit v, die Winkelgeschwindigkeit ω des Fahrgestells um seine in Fahrtrichtung orientierte Längsachse und die senkrecht zur Fahrtrichtung sowie parallel zur Gleisebene gerichtete Querbeschleunigung b, sowie einem dem letzteren Meßwertgeber nachgeschalteten, ersten Tiefpaßfilter, dadurch gekennzeichnet, daß dem Meßwertgeber (2) für die Winkelgeschwindigkeit ω ein zweites, zum ersten (4) analoges Tiefpaßfilter (5) nachgeschaltet, ein eingangsseitig mit einem Multiplizierglied (6) und mit dem Ausgang des ersten Tiefpaßfilters (4) verbundenes, ausgangsseitig das Ansteuersignal abgebendes Summationsglied (7) vorhanden ist und das Multiplizierglied (6) eingangsseitig mit dem Ausgang des zweiten Tiefpaßfilters (5) sowie dem Ausgang einer Rechenvorrichtung (8, 9, 10, 11, 18) zur Erzeugung eines im wesentlichen vom Quadrat der Fahrzeuggeschwindigkeit v abhängigen Geschwindigkeitssignales verbunden ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Rechenvorrichtung aus einem mit seinen beiden Eingängen mit dem Meßwertgeber (3) für die Fahrzeuggeschwindigkeit v verbundenen, zweiten Multiplizierglied (8), einem diesem parallel geschalteten Kennlinienglied (10) zur Erzeugung eines Signales für die reziproke Proportionalitätskonstante 1/c(v), einem eingangsseitig die Ausgangssignale des zweiten Multipliziergliedes (8) sowie des Kennliniengliedes (10) aufnehmenden, dritten Multiplizierglied (9) sowie einem ein der Erdbeschleunigung g (11) entsprechendes Signal vom Ausgangssignal des zweiten Multipliziergliedes (9) subtrahierenden, zweiten Summationsglied (18) besteht.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß dem ausgangsseitig das Ansteuersignal abgebenden Summationsglied (7) in paralleler Anordnung zwei Schwellwertschalter (12, 13; 14, 16) nachgeschaltet sind, welche außerdem einmal direkt und zum anderen über einen Integrator (15) mit dem Ausgang des Meßwertgebers (2) für die Winkelgeschwindigkeit ω verbunden sind.