DE4436137A1 - Verfahren zum Steuern der Querverschiebung eines Schienenfahrzeugs gegenüber seinem Fahrwerk - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Steuern der Querverschiebung eines Schie­ nenfahrzeugs mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.

Schienenfahrzeuge müssen bei Streckenfahrt bekanntlich unter allen Umständen das vorgege­ bene Lichtraumprofil ein halten, um Kollisionen mit anderen Fahrzeugen bzw. an der Fahrstrec­ ke feststehenden Bauten zu verhindern. Wird der Wagenkasten mit Überbreite ausgeführt oder wird eine Neigeeinrichtung eingesetzt, welche den Wagenkasten bei Bogenfahrt zum verbes­ serten Ausgleich von Fliehkräften nach bogeninnen neigt, so muß im Vergleich mit konventio­ nellen Fahrzeugen der übliche Spielraum zur Lichtraum-Hüllkurve voll ausgenutzt werden bzw. müssen besondere Maßnahmen getroffen werden, um diese nicht zu verletzen.

Man kann den geneigten Wagenkasten gegenüber seinen Laufwerken in eine definierte Quer­ position (y-Richtung der Fahrwegebene, wenn die Fahrtrichtung die x-Achse ist) bewegen, die sich im allgemeinen sowohl von der Mittelstellung unterscheidet als auch von der Position, die sich bei einem ungeregelten System aus dem Gleichgewichtszustand ergibt.

Die Positionsregelung sollte gleichzeitig zur Maximierung des Fahrkomforts eine weiche Feder­ bewegung um eine gewünschte mittlere Position zulassen, und bei einem Ausfall des Steuersy­ stems sollte eine Quernotfederung Verhindern, daß das Fahrzeug zu hart gegen seitliche An­ schläge prallt oder unzulässig große Querwege ausführt.

Aus DE 41 37 869 C1 ist ein System bekannt, das mittels Druckregelung eine Schwingungs­ dämpfung erlaubt. Hierbei werden Zylinder zwischen Wagenkasten und Drehgestell in Abhän­ gigkeit von Fahrzuständen mit Druck beaufschlagt. Es wird jedoch keine Aussage gemacht, nach welchen Gesichtspunkten der Sollwert für den erforderlichen Zylinderweg, aus dem sich der Zylinderdruck ergibt, bestimmt wird. Weiterhin ist nur eine Dämpfung, jedoch keine Quer­ federung und keine Notfederung vorgesehen. Dadurch ist der Energieverbrauch relativ hoch und es kann zu unkontrollierten Bewegungen bei einem Ausfall im Hydrauliksystem kommen.

Ein weiteres, aus der EP 0 592 387 A1 bekanntes System regelt eine Querfeder in einem Dreh­ gestell mittels Druckregelung auf einen vorgegebenen Sollquerweg und kann mit einer Zusatz­ feder kombiniert werden. Hierbei erfolgt die Erzeugung des Drucksignals in Abhängigkeit von der Relativquerbewegung zwischen Wagenkasten und Drehgestell, die mittels eines Wegauf­ nehmers erfaßt wird.

In der EP 0 528 783 A1 wurde ein Fahrzeug beschrieben, dessen Wagenkasten gegenüber dem Fahrwerk durch drei Aktuatoren gesteuert bewegbar ist. Zwei davon stellen eine aktive Neigungssteuerung bereit, während der dritte Aktuator im wesentlichen dazu dient, das geneig­ te Fahrzeug mittig über dem Fahrwerk zu halten bzw. die Höhenlage des Wankpols festzulegen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein anderes Verfahren zur gezielten Einstellung der Position eines Wagenkastens gegenüber seinem Fahrwerk in y-Richtung anzugeben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Merkmale des Unteranspruchs geben eine vorteilhafte Weiterbildung dieses Gegen­ stands an.

Erfindungsgemäß liegt der Ermittlung des Sollwerts für die benötigte Querverschiebung die Meßgröße "Querbeschleunigung" bei der Berechnung des aktuellen Bogenradius zugrunde.

Benötigt wird eine Funktion, die einen Sollwert für die Querbewegung in Abhängigkeit von Meßgrößen und konstanten, gespeicherten Daten so angibt, daß das Lichtraumprofil nicht überschritten wird. Wenn die Querverschiebung vorteilhaft mit einem Neigesystem kombiniert wird, so muß zusätzlich der Wankwinkel Φ (phi) des Wagenkastens berücksichtigt werden. Da­ mit ergibt sich die notwendige Querverschiebung als Funktion

y_soll = f(a_q, R, Φ),

wobei a_q die einwirkende Querbeschleunigung (Zentripetalbeschleunigung aus der Spurführung des Fahrzeugs), R der momentane Bogenradius und Φ der Wankwinkel ist.

Nach der bekannten Formel für die Querbeschleunigung in Gleisebene:

a_q = v²/R + ü/b _* g

wobei v die Momentangeschwindigkeit, ü die Überhöhung der Fahrstrecke (Differenz der Hö­ henlage zwischen bogenäußerer und bogeninnerer Schiene), b die Spurweite und g die Erdbe­ schleunigung ist, läßt sich der Bogenradius R also aus den meßbaren Größen Querbeschleuni­ gung (aus einem Beschleunigungsaufnehmer im führenden Drehgestell), Gleisüberhöhung ü (in bekannter Weise meßbar mittels eines im führenden Drehgestell angebrachten Kreisels) sowie der Fahrgeschwindigkeit berechnen:

R[m] = v² [m²/s²] / (a_q - ü/b _* g) [m/s²]

Die Parameter Spurweite b und Erdbeschleunigung g sind als Konstanten anzusehen. Mit dem berechneten Radius und der bekannten Geometrie des Wagenkastens und des Lichtraumpro­ fils hält das Fahrzeug auch in engen Radien und relativ starker aktiver Querneigung das Lichtraumprofil zuverlässig ein. Der Bogenradius ist deshalb so wichtig, weil das Fahrzeug zwi­ schen den Drehgestellen nach bogeninnen überhängt, so daß ohne eine Querverschiebung nach bogenaußen eine erhöhte Kollisionsgefahr im oberen Eckenbereich entstehen könnte.

Der notwendige Stellmittelweg wird dem Sollwert y_soll erst beim Überschreiten eines einstellba­ ren Schwellwerts (ca. 5-7 mm) durch Druckregelung nachgeführt. Der Schwellwert begrenzt beidseitig eine Ruhezone, in der die Steuerung noch nicht anspricht. Damit wird der Einfluß von hochfrequenten Querstörungen kleiner Amplituden minimiert, die auch bei Geradeausfahrt infol­ ge von Gleislagefehlern oder Winddruck auftreten.

Zur weiteren Verbesserung der Genauigkeit bei der Berechnung des Bogenradius kann man ferner die Wendebewegung des Fahrzeugs um seine Hochachse im Gleisbogen (ebenfalls mit­ tels eines Kreisels) erfassen und diese in die Radienberechnung einfließen lassen.

Weitere Vorteile des Gegenstands der Erfindung gehen aus der Zeichnung eines Ausführungs­ beispiels und deren sich im folgenden anschließender eingehender Beschreibung hervor.

Es zeigen in vereinfachter Darstellung

Fig. 1 ein Schienenfahrzeug mit der erfindungsgemäßen Steuerung bei der Fahrt durch einen überhöhten Gleisbogen,

Fig. 2 ein Blockschaltbild der Steuerung bei deren Verwendung in Kombination mit ei­ nem Neigesystem.

Gemäß Fig. 1 stützt sich ein Wagenkasten 1 über gestrichelt angedeutete Sekundärfedern 2 auf einem Drehgestellrahmen 3 ab. Das Fahrzeug wird von zwei Drehgestellen getragen, von denen hier nur eines dargestellt ist. Das Fahrzeug ist auf einem bogenaußen überhöhten Fahr­ wegabschnitt dargestellt. Zwei strichpunktierte Linien, die sich im Wankpol W_F schneiden, be­ zeichnen die Fahrwegnormale N auf den überhöhten Fahrwegabschnitt und die momentane La­ ge der Fahrzeughochachse Z. Sie schließen zwischen sich den Wankwinkel Φ ein.

Man sieht, daß die Fahrzeughochachse Z noch stärker nach bogeninnen geneigt ist als die Fahrwegnormale N. Dies wird durch eine aktive Neigeeinrichtung des Fahrzeugs herbeigeführt, die in bekannter Weise auf einer Wankstütze mit einem Stützteil 4 und durch hydraulische Hub­ zylinder 5 längenveränderlichen Pendelstützen basiert. Der bogenäußere (rechte) Hubzylinder ist deutlich sichtbar ausgefahren, während der bogeninnere Hubzylinder eingefahren ist. Im Vergleich zur Abweichung der Fahrwegnormalen N gegenüber einer gedachten Senkrechten als Wirkungslinie der Erdanziehung weicht die Hochachse Z gegenüber der Fahrwegnormalen N rein optisch nur wenig ab. Demgegenüber würde die Hochachse Z eines konventionellen Fahrzeugs aber noch nicht einmal die Winkellage der Fahrwegnormalen einnehmen, weil das Fahrzeug sich bei hoher Geschwindigkeit trotz Wankstütze in der Sekundärfederung nach bo­ genaußen neigen und damit den Effekt der Überhöhung teilweise kompensieren würde.

Der Wankpol W_F liegt vorzugsweise in unmittelbarer Nähe des Fahrzeugschwerpunkts, mög­ lichst in Höhe der Passagiersitze, damit sich bei der aktiven Querneigung des Fahrzeugs kom­ fortmindernde Querbeschleunigungen nicht bemerkbar machen.

Vom Wagenkasten 1 ragt in der Hochachse Z ein Mitnehmer 6 nach unten in den Fahrwerk­ raum ab, der der Einleitung von Querkräften in den Wagenkasten dient. Die beidseitig daran angelenkten Stellmittel in Gestalt von hydraulischen Hubzylindern 7 und 8 sind anderseitig am Fahrwerkrahmen angelenkt. Ersichtlich ist der bogeninnere Hubzylinder 7 länger ausgefahren als der bogenäußere Hubzylinder 8. Hieraus resultiert eine Querverschiebung des Wagenka­ stens gegenüber der Mittellage über dem Fahrwerk. Diese Querverschiebung wird auch daran sichtbar, daß beide Hubzylinder 5 der Wankstütze gegenüber deren Stützteil nach bogenaußen geschwenkt sind.

Das so geneigte Fahrzeug paßt sich eng in das Lichtraumprofil LP ein, dessen Hüllkurve hier gestrichelt angedeutet ist. Das Ziel der Erfindung ist sicherzustellen, daß der Wagenkasten auch bei einer starken aktiven Seitenneigung noch hinreichenden Abstand von dieser Hüllkurve einhält. Man kann durch eine Querverschiebung des Wagenkastens gegenüber dem Fahrwerk sogar eine stärkere Neigung nach bogeninnen zulassen, ohne daß die bogeninnere obere Ecke des Wagenkastens das Lichtraumprofil verletzt.

Gemäß dem Blockschaltbild in Fig. 2 werden aus den Eingangswerten a_q, ü und v in den Blöc­ ken "Funktion 1" und "Funktion 3" die Sollwerte für die Wankzylinder z_soll und die Querzylinder y_soll berechnet. In diesen Blöcken sind neben den Konstanten Spurweite und Erdbeschleuni­ gung auch Streckendaten wie das Lichtraumprofil der jeweiligen Strecke sowie Daten der äuße­ ren Gestalt des Schienenfahrzeugs verfügbar. Über die bereits erwähnte Beziehung zwischen dem Bogenradius und der gemessenen Querbeschleunigung a_q können die Sollwerte dann so berechnet werden, daß sich das Fahrzeug bei möglichst guter Kompensation von Fliehkräften optimal in das Lichtraumprofil einschmiegt.

Die Blöcke "Funktion 2" und "Funktion 4" beinhalten den Regler, wobei Funktion 4 eine Druck­ regelung und eine Steuerlogik enthält. Die Zylinderwege y_ist und z_ist, die die Stellung des Wa­ genkastens gegenüber seinem Fahrwerk in y- und z-Richtung bzw. auch die Lage des Dreh- oder Wankpols bestimmten, werden durch Wegmeßsysteme an die Regler zurückgeführt.

Claims (2)

1. Verfahren zum Steuern der Querverschiebung eines Schienenfahrzeugs gegenüber sei­ nem Fahrwerk, nach dem zwischen einem Wagenkasten und einem Fahrwerk des Schienen­ fahrzeugs angeordnete Stellmittel zum Einstellen einer definierten, von der Mittelstellung des Wagenkastens gegenüber dem Fahrwerk abweichenden Position aktivierbar sind, wobei minde­ stens eine am Fahrzeug erfaßte Meßgröße als Eingangsgröße in die Steuerung eingeht,
dadurch gekennzeichnet,
daß der momentane Bogenradius R gemäß einer vorgegebenen Formel aus der gemessenen, auf das Fahrzeug einwirkenden Querbeschleunigung und weiteren Meßgrößen berechnet wird, und
daß der Wagenkasten gegenüber dem Fahrwerk gemäß einem Sollwert y_soll = f (a_q, R, Φ, G_F, LP),wobei a_q die Querbeschleunigung, R den berechneten Bogenradius, Φ den Wankwinkel, G_F die äußeren Fahrzeugabmessungen und LP die Hüllkurve des Lichtraumprofils bezeichnet, quer zur Fahrtrichtung nach bogenaußen verschoben wird, um ihn in Abhängigkeit von den äußeren Fahrzeugabmessungen und dem momentanen Bogenradius in das Lichtraumprofil einzuschmiegen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wendebewegung des Fahrzeugs um seine Hochachse erfaßt wird und in die Ermittlung des Sollwerts y_soll als zusätzliche Meßgröße insbesondere zur Verbesserung der Genauigkeit der Berechnung der Bogenradien eingeht.