DE4231346C2 - Einzelrad-Steuervorrichtung - Google Patents

Description

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

Eine derartige Einzelrad-Steuervorrichtung ist z. B. durch die EP 0 374 290 A1 bekannt. Im bekannten Fall wird der Schienenverlauf durch eine Schienenverlauf-Meßeinrichtung, die entweder eine opto-elektronische oder eine (elektro-)magnetische Sensoreinrichtung umfaßt, berührungslos gemessen. Die Sensor­ einrichtung ist hierzu in Fahrtrichtung gesehen vor dem betreffenden Einzelrad angeordnet.

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

Die auf opto-elektronischen Sensoren basierende Schienen­ verlauf-Meßeinrichtung beinhaltet ferner eine Auswerteelektronik, die in Abhängigkeit vom erfaßten Schienenverlauf nötigenfalls ein Lenksignal erzeugt, durch das das betreffende Einzelrad entsprechend dem Schienenverlauf gelenkt wird.

Die in der EP 0 374 290 A1 beschriebene opto-elektronische Sensoreinrichtung kann bei vereisten oder schneebedeckten bzw. stark verschmutzten Schienen möglicherweise fehlerhafte Meßergebnisse liefern. Darüber hinaus erfordert die Schienen­ verlauf-Meßeinrichtung zur Vermeidung von langen Rechenzeiten eine relativ komplexe Auswerteelektronik. Darüber hinaus muß der Laserempfänger in seiner Größe so dimensioniert sein, daß auch bei einem Einfedern des Schienenfahrzeugs noch ein sicherer Empfang des reflektierten Laserstrahls gewährleistet ist. Weiterhin sind bei der Einzelrad-Steuervorrichtung gemäß der EP 0 374 290 A1 häufige Wartungsarbeiten erforderlich, um mögliche Beschädigungen der Witterungseinflüssen ausgesetzten opto-elektronischen Sensoreinrichtung 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 seiner Schwenkbarkeit kann der Magnetträger dem Maximum des Magnetfeldes zwischen seinen Magneten und der Schiene selbsttätig folgen. Abhängig von der Stellung des Magnetträgers und eines damit gekoppelten Winkelschrittgebers, der den eigentlichen Sensor bildet, wird dann über ein Stellglied das zugehörige Einzelrad entsprechend dem Schienenverlauf gelenkt. Die in der EP 0 374 290 A1 beschriebene magnetische Sensoreinrichtung ist zwar gegen Witterungseinflüsse unempfindlicher als die opto-elektronische Sensoreinrichtung, erfordert jedoch relativ viel Bauraum.

In der EP 0 338 381 A1 ist eine magnetische Sensoreinrichtung offenbart, die zwei Permanentmagneten und zwei Hall-Sensoren oder alternativ zwei Spulen und zwei Hall-Sensoren umfaßt. Von den Magneten (Permanent- oder Elektromagneten) wird ein Magnetfeld erzeugt, das die Hall-Sensoren durchdringt. Änderungen im Verlauf der Schiene führen zu Magnetfeldänderungen, die von den Hall-Sensoren erfaßt werden.

Die DE 31 47 819 C2 beschreibt eine Einrichtung für die berührungslose, lineare, elektrische Messung der Pollage, der Position und der Geschwindigkeit eines beweglichen Körpers gegenüber einen quer zu der Bewegungsrichtung mit Nuten ver­ sehenen, ferromagnetischen Schiene. Eine derartige Einrichtung wird bei einem durch einen ortsfesten eisenbehafteten synchronen oder asynchronen Langstator-Linearmotor angetriebenen Verkehrssystem verwendet. Die Sensoreinrichtung gemäß der DE 31 47 819 C2 umfaßt ein Flußleitstück, das entweder als Permanentmagnet oder als Elektromagnet ausgebildet ist. Die vom Magnetfeld des Permanentmagneten bzw. Elektromagneten er­ zeugte lokale Flußdichte auf den der genuteten Schiene zuge­ wandten Ebenen wird von sogenannten Flußsensoren, die z. B. als magnetfeldabhängige Halbleiter (Hall-Sonden) ausgebildet sind, erfaßt.

Durch die JP 57-173701 A ist eine induktive Sensoreinrichtung nach dem Wirbelstrommeßverfahren bekannt, die in einem Meßfahrzeug angeordnet ist. Diese Einrichtung dient dazu, mittels Meßspulen, die am unteren Teil des Meßfahr­ zeuges der Schiene gegenüberliegend angeordnet sind, den Schienenversatz zu bestimmen. Wird ein hochfrequenter Strom in die Meßspulen eingespeist, so kann über deren Impedanz, die eine Funktion des Abstandes zwischen ihr und der Schiene ist, die Position der Schiene gemessen werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine kleinbauende, gegen Witterungseinflüsse weitgehend unempfindliche Einzelrad- Steuervorrichtung für horizontal drehbewegliche Einzelräder eines Schienenfahrzeugs zu schaffen, die den Schienenverlauf unabhängig vom Zustand der Schienen fehlerfrei erfaßt.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der weiteren Ansprüche.

Die induktive Sensoreinrichtung ist witterungsunempfindlich, so daß sich zusammen mit der größeren Wartungsfreundlichkeit insgesamt ein wesentlich geringerer Wartungsaufwand ergibt. Darüber hinaus kann die Sensoreinrichtung der erfindungsgemäßen Einzelrad-Steuervorrichtung den Schienenverlauf z. B. auch bei verschmutzten und vereisten Schienen zuverlässig erfassen. Die induktive Sensoreinrichtung benötigt aufgrund ihrer kompakten Baugröße nur wenig Einbauraum.

Um die volle Schienenkopfbreite zu erfassen, ist erfindungsgemäß unter anderem ein aus zwei Sensoren bestehendes Sensorpaar angeordnet, wobei die Sensoren als U-förmige, mit wenigstens einer Wicklung versehene Ferrit-Kerne ausgebildet sind, deren Pole mit ihren Stirnflächen zur Lauffläche der Schiene zeigen.

Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen, die Gegenstand der Ansprüche 2 bis 7 sind, werden im folgenden anhand eines schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels in der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt:

Fig. 1 in einem Vertikalschnitt durch eine Schiene eine schematische Darstellung, in der die Funktion einer induktiven Sensoreinrichtung der erfindungsgemäßen 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 dar­ gestellt und mit 1 bezeichnet. Der Verlauf der Schienen wird von einer induktiven Sensoreinrichtung berührungslos gemessen. In Abhängigkeit vom erfaßten Schienenverlauf wird jedes Einzelrad des Schienenfahrzeugs durch elektrische oder hydraulische Stelleinrichtung so gelenkt, daß 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 bis 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 ferromagnetische Flächen verbleiben.

Die Ferrit-Kerne 9 und 10 der Sensoren 5 und 6 sind mit ihrer Längsachse parallel zur Längsachse des Schienenfahrzeugs angeordnet. Bei dem in Fig. 1 dargestellten Fall der Gerade­ ausfahrt befinden sich damit die Längsachsen der Ferrit-Kerne 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 Schiene 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 Einzelrades 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 Lauffläche 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 Auswertung der Meßsignale erfolgt vorzugsweise mit der in Fig. 6 dargestellten Auswerteelektronik. Die Auswerteelektronik umfaßt für die Sensoren eines Sensorpaares jeweils eine Brücken­ schaltung. In Fig. 6 ist die Auswerteelektronik für das Sensorpaar 3, das die Sensoren 5 und 6 umfaßt, dargestellt. Die Brückenschaltung umfaßt im wesentlichen zwei Widerstände 21 und 22, die gemeinsam an einen Eingang eines nach­ geschalteten Verstärkers 23 geführt wird. An den anderen Eingang des Verstärkers 23 sind die Meßwicklungen 11 und 12 der Sensoren 5 und 6 geführt, die jeweils in Reihe zu dem Widerstand 21 bzw. 22 geschaltet sind. In dem Verstärker 23 wird das Ausgangssignal der Brückenschaltung derart phasenempfindlich gleichgerichtet, daß ein zur seitlichen Abweichung des Schienenverlaufs proportionales Verstärkerausgangssignal zur Verfügung steht.

Dem Verstärker 23 ist ein Schwellendiskriminator 24 nach­ geschaltet, der bei einem oberhalb eines Schwellwertes liegenden Verstärkerausgangssignal ein zur seitlichen Abweichung des Schienenverlaufs proportionales Diskriminator-Ausgangssignal erzeugt. Weiterhin ist dem Schwellendiskriminator 24 ein Lenksignalerzeuger 25 nachgeschaltet. Dieser Lenk­ signalerzeuger 25 erzeugt in Abhängigkeit 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 dem Schienenverlauf auch noch der Abstand y der Sensoren 5 bis 8 der Sensorpaare 3, 4 bestimmt werden.

Da bei jedem Einzelrad zwei Sensorpaare 3, 4 verwendet werden, können Unregelmäßigkeiten im Schienenverlauf, wie z. B. Kreuzungen, Weichen und Schienenbruch, erkannt werden. Das vor dem Einzelrad 2 angeordnete Sensorpaar 3 sowie das hinter 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 erfolgen.

Auftretende Unregelmäßigkeiten (Kreuzungen, Weichen, Schienen­ stöße usw.) in den Schienen treten nur kurzzeitig (z. B. Lücke) und/oder für alle Sensoren mit zeitlicher Verzögerung (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 zunächst gesperrt und für Sonder­ auswertungen zur Untersuchung der Art der Unregelmäßigkeit verwendet werden.

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

Claims (7)

1. Einzelrad-Steuervorrichtung für horizontal drehbewegliche Einzelräder (2) eines Schienenfahrzeugs mit einer Schienen­ verlauf-Meßeinrichtung zur berührungslosen Messung des Schienenverlaufs sowie einer Auswerteelektronik (21 bis 25), dadurch gekennzeichnet, daß die Schienenverlauf-Meßeinrichtung eine induktive Sensoreinrichtung (3, 4) mit einem Sensorpaar (3, 4) umfaßt, wobei dessen Sensoren (5 bis 8) als U-förmige, mit wenigstens einer Wicklung (11, 12, 17 bis 20) versehene Ferrit-Kerne (9, 10) ausgebildet sind, deren Pole mit ihren Stirnflächen (13 bis 16) zur Lauffläche der Schiene (1) zeigen und die mit ihrer Längsachse parallel zur Längsachse des Schienenfahrzeugs angeordnet sind, wobei die Sensoren (5, 6) des Sensorpaars (3) derart angeordnet 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.

2. Einzelrad-Steuervorrichtung nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß jeder Ferrit-Kern (9, 10) eine Meßwicklung (11, 12) mit einer dar­ unterliegenden inneren Schirmwicklung (17, 18) sowie einer darüberliegenden äußeren Schirmwicklung (19, 20) aufweist.

3. Einzelrad-Steuervorrichtung nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß die Auswerteelektronik für die Sensoren (5, 6) eines Sensorpaares (3) jeweils eine Brückenschaltung (21, 22) umfaßt.

4. Einzelrad-Steuervorrichtung nach Anspruch 3, 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 ein zur seitlichen Abweichung des Schienenverlaufs proportionales Verstärkerausgangssignal zur Verfügung steht.

5. Einzelrad-Steuervorrichtung nach Anspruch 4, da­ durch gekennzeichnet, daß dem Verstärker (23) ein Schwellendiskriminator (24) nachgeschaltet ist, der bei einem oberhalb eines Schwellenwertes liegenden Verstärkerausgangssignal ein zur seitlichen Abweichung des Schienenverlaufs proportionales Diskriminator-Ausgangssignal erzeugt.

6. Einzelrad-Steuervorrichtung nach Anspruch 5, da­ durch gekennzeichnet, daß dem Schwellendiskriminator (24) ein Lenksignalerzeuger (25) nach­ geschaltet ist, der in Abhängigkeit vom zugeführten Diskriminator- Ausgangssignal ein Stellwinkelsignal für die Lenkung des betreffenden Einzelrads (2) erzeugt.

7. Einzelrad-Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mittels eines Sinnfälligkeitstestes Unregelmäßigkeiten der Schiene (1) erkennbar und auswertbar sind.