DE4231346A1 - Einzelrad-Steuervorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einzelrad-Steuervorrichtung ge­ mäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine derartige Einzelrad-Steuervorrichtung ist z. B. durch die EP-B-0 374 290 bekannt. Im bekannten Fall wird der Schienenverlauf durch eine Schienenverlauf-Meßeinrichtung, die entweder eine opto-elektronische oder eine (elektro-) magnetische Sensoreinrichtung umfaßt, berührungslos gemes­ sen. Die Sensoreinrichtung ist hierzu in Fahrtrichtung ge­ sehen vor dem betreffenden Einzelrad angeordnet.

Die opto-elektronische Sensoreinrichtung besteht vorzugswei­ se aus einem Lasersender, der einen auf die jeweilige Schie­ ne gerichteten Laserstrahl emittiert. Sie umfaßt weiterhin einen Laserempfänger, der den von der jeweiligen Schiene sowie von einem ebenfalls zur opto-elektronischen Sensorein­ richtung gehörenden Bezugspunktreflektor reflektierten Laserstrahl des Lasersenders empfängt.

Die Schienenverlauf-Meßeinrichtung beinhaltet ferner eine Auswerteelektronik, die in Abhängigkeit vom erfaßten Schie­ nenverlauf nötigenfalls ein Lenksignal erzeugt, durch das das betreffende Einzelrad entsprechend dem Schienenverlauf gelenkt wird.

Die in der EP-B-0 374 290 beschriebene opto-elektronische Sensoreinrichtung kann bei vereisten oder schneebedeckten bzw. stark verschmutzten Schienen möglicherweise fehler­ hafte Meßergebnisse liefern. Darüber hinaus erfordert die Schienenverlauf-Meßeinrichtung zur Vermeidung von langen Rechenzeiten eine relativ komplexe Auswerteelektronik. Da­ rüber hinaus muß der Laserempfänger in seiner Größe so di­ mensioniert sein, daß auch bei einem Einfedern des Schienen­ fahrzeugs noch ein sicherer Empfang des reflektierten Laser­ strahls gewährleistet ist. Weiterhin sind bei der Einzelrad- Steuervorrichtung gemäß der EP-B-0 374 290 häufige Wartungs­ arbeiten erforderlich, um mögliche Beschädigungen der Witte­ rungseinflüssen ausgesetzten opto-elektronischen Sensorein­ richtung rechtzeitig zu erkennen.

Die (elektro-)magnetische Sensoreinrichtung besteht im we­ sentlichen aus einem Magneten aufweisenden Magnetträger, der am unteren Ende eines vor dem betreffenden Einzelrad ange­ ordneten Teleskop-Pendels befestigt ist. Der Magnetträger ist im Teleskop-Pendel, das um einen Schwenkpunkt seitlich schwenkbar ist, horizontal drehbar gelagert. Aufgrund sei­ ner Schwenkbarkeit kann der Magnetträger dem Maximum des Magnetfeldes zwischen seinen Magneten und der Schiene selbsttätig folgen. Abhängig von der Stellung des Magnet­ trägers wird dann über ein Stellglied das zugehörige Einzel­ rad entsprechend dem Schienenverlauf gelenkt. Eine Auswerte­ elektronik ist in diesem Fall nicht erforderlich. Die in der EP-B-0 374 290 beschriebene magnetische Sensoreinrichtung ist zwar gegen Witterungseinflüsse unempfindlicher als die opto-elektronische Sensoreinrichtung, erfordert jedoch rela­ tiv viel Bauraum.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine kleinbauen­ de, gegen Witterungseinflüsse weitgehend unempfindliche Ein­ zelrad-Steuervorrichtung für horizontal drehbewegliche Ein­ zelräder eines Schienenfahrzeugs zu schaffen, die den Schie­ nenverlauf unabhängig vom Zustand der Schienen fehlerfrei erfaßt.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kenn­ zeichen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der weiteren Ansprüche.

Die erfindungsgemäße Einzelrad-Steuervorrichtung weist eine Schienenverlauf-Meßeinrichtung mit wenigstens einer induk­ tiven Sensoreinrichtung auf. Die induktive Sensoreinrichtung ist witterungsunempfindlich, so daß sich zusammen mit der größeren Wartungsfreundlichkeit insgesamt ein wesentlich ge­ ringerer Wartungsaufwand ergibt. Darüber hinaus kann die Sensoreinrichtung der erfindungsgemäßen Einzelrad-Steuervor­ richtung den Schienenverlauf z. B. auch bei verschmutzten und vereisten Schienen zuverlässig erfassen. Die induktive Sensoreinrichtung benötigt aufgrund ihrer kompakten Bau­ größe nur wenig Einbauraum.

Vorzugsweise ist, wie in Anspruch 2 beschrieben, für jedes Einzelrad eine induktive Sensoreinrichtung vorgesehen.

Bei der erfindungsgemäßen Einzelrad-Steuervorrichtung kann der Schienenverlauf prinzipiell auch an einer neben der Schiene verlaufenden Spurführungsschiene gemessen werden. In diesem Fall bildet dann diese Spurführungsschiene das ferromagnetische Meßobjekt, dessen Lageänderung eine vom Sensor erfaßte Induktivitätsänderung hervorruft. Es ist jedoch vorteilhafter, den Schienenverlauf gemäß Anspruch 3 direkt zu erfassen, in diesem Fall bilden die Schienen, auf denen das Schienenfahrzeug rollt, das ferromagnetische Meßobjekt.

Bei einer Einzelrad-Steuervorrichtung gemäß Anspruch 4 ist unabhängig von der Fahrtrichtung des Schienenfahrzeugs sichergestellt, daß der Schienenverlauf durch den in Fahrt­ richtung vor dem ersten Einzelrad angeordneten Sensor je­ weils vor dem Erreichen des Einzelrades bestimmt wird. Fer­ ner wird durch den in Fahrtrichtung betrachtet hinter dem Einzelrad angeordneten Sensor gleichzeitig der bisherige Wert erfaßt. Aus der Differenz der Meßsignalwerte beider Sensoren wird der Lenkwinkel für das horizontal drehbeweg­ liche Einzelrad errechnet. Bei einer Sensoreinrichtung mit nur jeweils einem Sensor pro Einzelrad muß entweder auf die Fahrtrichtungsunabhängigkeit des Schienenfahrzeugs verzich­ tet werden oder es müssen Abstriche bei der Genauigkeit und der Schnelligkeit der Schienenverlaufsmessung in Kauf ge­ nommen werden. Um die volle Schienenkopfbreite zu erfassen kann gemäß Anspruch 5 vor und hinter jedem Einzelrad jeweils ein aus zwei Sensoren bestehendes Sensorpaar angeordnet sein.

Für die erfindungsgemäße Einzelrad-Steuervorrichtung können verschieden ausgebildete Sensoren verwendet werden. So ist es z. B. denkbar nach dem Tauchspulprinzip aufgebaute Senso­ ren zu verwenden. Diese erfordern jedoch wegen des runden Querschnitts der magnetischen Anordnung eine gegenüberlie­ gende ferromagnetische Fläche, die größer ist als die Schie­ nenbreite. Bei einer Einzelrad-Steuervorrichtung nach An­ spruch 6 und insbesondere nach Anspruch 7 kann die Meß­ empfindlichkeit im Vergleich zu nach dem Tauchspulprinzip aufgebauten Sensoren wesentlich verbessert werden.

Besonders genau wird der Schienenverlauf durch Erfassen der Schienenkanten gemessen. Eine hierfür geeignete Einzelrad- Steuervorrichtung ist in Anspruch 8 beschrieben.

Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen, die Gegenstand der Ansprüche 2 bis 19 sind, werden im fol­ genden anhand eines schematisch dargestellten Ausführungs­ beispiels in der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1 in einem Vertikalschnitt durch eine Schiene eine schematische Darstellung, in der die Funktion einer induktiven Sensoreinrichtung der er findungsgemäßen Einzelrad-Steuervorrichtung erläutert ist,

Fig. 2 eine Detaildarstellung eines Sensorpaares der Sensor­ einrichtung gemäß Fig. 1,

Fig. 3 einen Schnitt durch das Sensorpaar gemäß Fig. 2 entlang der Linie III-III,

Fig. 4 in einer schematischen Darstellung die Anordnung der induktiven Sensoreinrichtung an einem Einzelrad,

Fig. 5 das Meßsignal eines Sensorpaares nach Fig. 2,

Fig. 6 ein Prinzipschaltbild zur Auswertung der Meßsignale der induktiven Sensoreinrichtung.

In Fig. 1 ist eine der beiden Schienen eines Gleises darge­ stellt und mit 1 bezeichnet. Der Verlauf der Schienen wird von einer induktiven Sensoreinrichtung berührungslos gemes­ sen. In Abhängigkeit vom erfaßten Schienenverlauf wird jedes Einzelrad des Schienenfahrzeugs durch elektrische oder hydraulische Stelleinrichtung so gelenkt, das es in Kurven immer tangential zur Schiene eingestellt ist. Die induktive Sensoreinrichtung bildet zusammen mit der in Fig. 6 beschrie­ benen Auswerteelektronik die Schienenverlauf-Meßeinrichtung der erfindungsgemäßen Einzelrad-Steuervorrichtung.

Die induktive Sensoreinrichtung umfaßt für jedes Einzelrad 2 zwei Sensorpaare 3 und 4, wobei das eine Sensorpaar 3 vor dem Einzelrad 2 und das andere Sensorpaar 4 hinter dem Ein­ zelrad 2 angeordnet ist. In Fig. 4 ist dies am Beispiel eines linken Einzelrades gezeigt.

Jedes Sensorpaar 3, 4 besteht jeweils aus zwei Sensoren 5, 6 bzw. 7, 8 (Fig. 1-3), die als U-förmige Ferrit-Kerne 9, 10 ausgebildet sind, wobei jeder Ferrit-Kern 9, 10 mit einer Meßwicklung 11 bzw. 12 versehen ist. Die Ferrit-Kerne 9, 10 können zusammen derart vergossen werden, daß lediglich die Stirnflächen 13 bis 16 ihrer Pole als aktive ferromagneti­ sche Flächen verbleiben.

Die Ferrit-Kerne 9 und 10 der Sensoren 5 und 6 sind mit ih­ rer Längsachse parallel zur Längsachse des Schienenfahrzeugs angeordnet. Bei dem in Fig. 1 dargestellten Fall der Gerade­ ausfahrt befindet sich damit die Längsachsen der Ferrit-Ker­ ne 9 und 10 auch parallel zur Längsachse der Schiene 1. Bei einer Kurvenfahrt des Schienenfahrzeugs wird dabei die Mittenverschiebung der Sensoren 5 und 6 gegenüber der Schie­ ne ermittelt und als Meßwert zur Verfügung gestellt. Das in Fahrtrichtung vor dem Einzelrad 2 angeordnete Sensorpaar 3 mißt den Schienenverlauf jeweils vor dem Erreichen des Ein­ zelrades 2. Gleichzeitig wird durch das in Fahrtrichtung gesehen hinter dem Einzelrad angeordnete Sensorpaar 4 der bisherige Wert erfaßt. Aus der Differenz der Meßsignalwerte beider Sensorpaare 3 und 4 wird der Lenkwinkel für das horizontal drehbewegliche Einzelrad 2 errechnet.

Die Ferrit-Kerne 9 und 10 sind mit den Stirnflächen 13 bis 16 ihrer Pole in einem vorgegebenen Abstand y zur Laufflä­ che der Schiene angeordnet.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Sensoren 5 und 6 des Sensorpaars 3 derart angeordnet, daß durch den einen Sensor 5 der Verlauf der linken Schienenkante 1a und durch den anderen Sensor 6 der Verlauf der rechten Schienenkante 1b meßbar ist. Bei seitlicher Verschiebung der Schiene 1 in Folge einer Krümmung (Kurve, Schienenverwerfung) erfassen die vor dem Einzelrad 2 befindlichen Sensoren 5 und 6 des Sensorpaars 3 einen anderen Mittenwert als die hinter dem Einzelrad befindlichen Sensoren 7 und 8 des Sensorpaares 4.

Aus der Differenz der Meßsignale wird der erforderliche Lenkwinkel für das Einzelrad 2 gewonnen.

Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel eines Sensorpaares sind beide Sensoren 5 und 6 gegen elektromagne­ tische Störungen abgeschirmt. Hierzu ist zwischen dem Ferrit- Kern 9 bzw. 10 und der Meßwicklung 11 bzw. 12 eine innere Schirmwicklung 17 bzw. 18 vorgesehen. Weiterhin ist die Meß­ wicklung 11 bzw. 12 von einer äußeren Schirmwicklung 19 bzw. 20 umwickelt.

Zur Messung des Schienenverlaufs wird ein Trägerfrequenzver­ fahren verwendet, das die Änderung der Induktivität aufgrund der Änderung des Abstandes zur gegenüberliegenden Schiene, die das ferromagnetische Profil bildet, ausnutzt. Die Aus­ wertung der Meßsignale erfolgt vorzugsweise mit der in Fig. 6 dargestellten Auswerteelektronik. Die Auswerteelektronik um­ faßt für die Sensoren eines Sensorpaares jeweils eine Brüc­ kenschaltung. In Fig. 6 ist die Auswerteelektronik für das Sensorpaar 3, das die Sensoren 5 und 6 umfaßt, dargestellt. Die Brückenschaltung umfaßt im wesentlichen zwei Widerstän­ de 21 und 22, die gemeinsam an einen Eingang eines nachge­ schalteten Verstärkers 23 geführt wird. An den anderen Ein­ gang des Verstärkers 23 sind die Meßwicklungen 11 und 12 der Sensoren 5 und 6 geführt, die jeweils in Reihe zu dem Wider­ stand 21 bzw. 22 geschaltet sind. In dem Verstärker 23 wird das Ausgangssignal der Brückenschaltung derart phasenempfind­ lich gleichgerichtet, daß eine zur seitlichen Abweichung des Schienenverlaufs proportionales Verstärkerausgangssig­ nal zur Verfügung steht.

Dem Verstärker 23 ist ein Schwellendiskriminator 24 nachge­ schaltet, der bei einem oberhalb eines Schwellwertes liegen­ den Verstärkerausgangssignal einen zur seitlichen Abweichung des Schienenverlaufs proportionale Diskriminator-Ausgangs­ signal erzeugt. Weiterhin ist dem Schwellendiskriminator 24 ein Lenksignalerzeuger 25 nachgeschaltet. Dieser Lenk­ signalerzeuger 25 erzeugt in abhängig vom zugeführten Dis­ kriminator-Ausgangssignal ein Stellwinkelsignal für die Lenkung des Einzelrades 2.

Werden bei jedem Sensorpaar mehr als zwei Meßwicklungen ver­ wendet, so kann neben den Schienenverlauf auch noch der Ab­ stand y der Sensoren 5 bis 8 der Sensorpaare 3, 4 bestimmt werden.

Da bei jedem Einzelrad zwei Sensorpaare 3, 4 verwendet wer­ den, können Unregelmäßigkeiten im Schienenverlauf, wie z. B. Kreuzungen, Weichen und Schienenbruch, erkannt werden. Das vor dem Einzelrad 2 angeordnete Sensorpaar 3 sowie das hin­ ter dem Einzelrad 2 angeordnete Sensorpaar 4 sind durch den mechanischen Aufbau starr gekoppelt und durch das Prinzip der Spurführung mit dem Sensorpaar des axial gegenüberliegenden Einzelrades verkoppelt. Somit kommt es zu Analogien der Sensorsignale des vorderen bzw. hinteren und der rechten bzw. linken Sensoren. Diese können nicht über bestimmte Werte der Differenzsignale (Fig. 5) anwachsen. Aus den auf­ genommenen einzelnen Sensorsignalen und den Differenzen der Sensorsignale kann eine Ermittlung des Kurvenverlaufs er­ folgen.

Auftretende Unregelmäßigkeiten (Kreuzungen, Weichen, Schie­ nenstöße usw.) in den Schienen treten nur kurzzeitig (z. B. Lücke) und/oder für alle Sensoren mit zeitlicher Verzöge­ rung (z. B. Herzstück, Weiche) auf. Da der maximale Meßhub der einzelnen Sensoren bekannt ist, kann durch Vergleich der aktuellen Messung mit zurückliegenden Messungen die Akzeptanz (Sinnfälligkeit) der zur Verfügung stehenden Meß­ signale aller verwendeten Sensoren überprüft werden. Dabei können unakzeptable Meßwerte zunähst gesperrt und für Son­ derauswertungen zur Untersuchungen der Art der Unregelmäßig­ keit verwendet werden.

Für einen ordnungsgemäßen Betrieb in allen Betriebszustän­ den (Fahrt oder Stillstand des Schienenfahrzeugs) ist als weiteres Kriterium die Geschwindigkeit des Schienenfahrzeu­ gs bei der Bestimmung der Tiefe (Zeit der Messung varia­ bel, Ort der Messung konstant) des Sinnfälligkeitstestes notwendig. So werden z. B. bei stehenden Schienenfahrzeug die Vergleichswerte, die vor dem Stillstand des Schienen­ fahrzeugs aufgenommen wurden, sowie der aktuelle Meßwert benutzt.

Claims (19)

1. Einzelrad-Steuervorrichtung für horizontal drehbeweg­ liche Einzelräder (2) eines Schienenfahrzeugs mit einer Schienenverlauf-Meßeinrichtung zur berührungslosen Messung des Schienenverlaufs, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Schienenverlauf-Meßeinrichtung wenigstens eine induktive Sensoreinrichtung (3, 4) sowie eine Auswertelektronik (21-25) umfaßt.

2. Einzelrad-Steuervorrichtung nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß für jedes Einzelrad (2) eine induktive Sensoreinrichtung (3, 4) vorgesehen ist.

3. Einzelrad-Steuervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die induktive Sensoreinrichtung (3, 4) wenigstens einen Sensor (5-8) umfaßt, der die Induktivitätsänderung in Abhängig­ keit von der Lageänderung der das ferromagnetische Meß­ objekt bildenden Schiene (1) erfaßt.

4. Einzelrad-Steuervorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die induktive Sensoreinrichtung wenigstens jeweils einen vor und einen hinter jedem Einzelrad angeordneten Sensor (5-8) umfaßt.

5. Einzelrad-Steuervorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß vor und hinter jedem Einzelrad (2) jeweils ein aus zwei Sen­ soren (5-8) bestehendes Sensorpaar (3, 4) angeordnet ist.

6. Einzelrad-Steuervorrichtung nach Anspruch 5, da­ durch gekennzeichnet, daß die Sen­ soren (5-8) als U-förmige, mit wenigstens einer Wicklung (11, 12, 17-20) versehene Ferrit-Kerne (9, 10) ausgebildet sind, deren Pole mit ihren Stirnflächen (13-16) zur Lauf­ fläche der Schiene (1) zeigen.

7. Einzelrad-Steuervorrichtung nach Anspruch 6, da­ durch gekennzeichnet, daß die U-förmigen Ferrit-Kerne (9, 10) mit ihrer Längsachse paral­ lel zur Längsachse des Schienenfahrzeugs angeordnet sind.

8. Einzelrad-Steuervorrichtung nach Anspruch 5 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (5, 6) eines jeden Sensorpaars (3) derart angeord­ net sind, daß durch den einen Sensor (5) der Verlauf der linken Schienenkante (1a) und durch den anderen Sensor (6) der Verlauf der rechten Schienenkante (1b) meßbar ist.

9. Einzelrad-Steuervorrichtung nach Anspruch 6, da­ durch gekennzeichnet, daß jeder Ferrit-Kern (9, 10) eine Meßwicklung (11, 12) mit einer darunterliegenden inneren Schirmwicklung (17, 18) sowie ei­ ner darüberliegenden äußeren Schirmwicklung (19, 20) auf­ weist.

10. Einzelrad-Steuervorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertelektronik für die Sensoren (5, 6) eines Sensorpaares (3) Jeweils eine Brückenschaltung (21, 22) umfaßt.

11. Einzelrad-Steuervorrichtung nach Anspruch 10, da­ durch gekennzeichnet, daß der Brückenschaltung (21, 22) ein Verstärker (23) nachgeschaltet ist, in dem das Ausgangssignal der Brückenschaltung (21, 22) derart phasenempfindlich gleichrichtbar ist, daß eine zur seitlichen Abweichung des Schienenverlaufs proportionales Verstärkerausgangssignal zur Verfügung steht.

12. Einzelrad-Steuervorrichtung nach Anspruch 11, da­ durch gekennzeichnet, daß dem Ver­ stärker (23) ein Schwellendiskriminator (24) nachgeschaltet ist, der bei einem oberhalb eines Schwellenwertes liegenden Verstärkerausgangssignal ein zur seitlichen Abweichung des Schienenverlaufs proportionales Diskriminator-Ausgangs­ signal erzeugt.

13. Einzelrad-Steuervorrichtung nach Anspruch 12, da­ durch gekennzeichnet, daß dem Schwellendiskriminator (24) ein Lenksignalerzeuger (25) nachgeschaltet ist, der in Abhängigkeit vom zugeführten Diskriminator-Ausgangssignal ein Stellwinkelsignal für die Lenkung des betreffenden Einzelrads (2) erzeugt.

14. Einzelrad-Steuervorrichtung nach Anspruch 3 und einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Induktionsänderung über das Trägerfrequenzverfahren auswertbar ist.

15. Einzelrad-Steuervorrichtung nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß die in­ duktive Sensoreinrichtung (3, 4) zur Messung des Abstandes der Sensoren (5-8) zur Schienenoberkante ausgebildet ist.

16. Einzelrad-Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand Sensor-Schiene den Nullpunkt nicht verän­ dert und der statische Übertragungsfaktor abgleichbar ist und/oder durch weitere Meßwicklungen kompensierbar ist.

17. Einzelrad-Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialeigenschaften der Schiene (1) den Nullpunkt nicht verändern und der statische Übertragungsfaktor ab­ gleichbar ist und/oder durch weitere Meßwicklungen kompen­ sierbar ist.

18. Einzelrad-Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die induktive Sensoreinrichtung (3, 4) als Näherungs­ schalter verwendbar ist.

19. Einzelrad-Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß mittels eines Sinnfälligkeitstestes Unregelmäßigkeiten der Schiene (1) erkennbar und auswertbar sind.