EP0720556B1 - Verfahren zur querstabilisierung von schienenfahrzeugen mit gleisbogenabhängiger wagenkastensteuerung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Die bei Bogenfahrt von Schienenfahrzeugen im Personenverkehr erzielbaren maximalen Geschwindigkeiten hägen neben konstruktiven und sicherheitstechnischen Aspekten auch von ergonomischen Forderungen an den Komfort der Fahrgäste ab. So ist z.B. in der Eisenbahn-Bau- und Betriebsordnung der Deutschen Bundesbahn genau festgelegt, welche nach der Bogenaussenseite hin gerichtete Zentrifugalbeschleunigung dem Reisenden höchstens zugemutet werden darf. Die zulässige Geschwindigkeit in der Kurve wird somit begrenzt durch den Bogenradius, der streckenmässig fest vorgegeben ist und nicht verändert werden kann, und die gegebenenfalls vorhandene Gleisüberhöhung, auf die indirekt Einfluss genommen werden kann, denn der Effekt einer Gleisüberhöhung lässt sich in bezug auf die auf die Reisenden einwirkende Fliehkraft auch dadurch erzielen, dass eine Neigevorrichtung den Wagenkasten um seine Längsachse gegenüber der Gleisebene dreht. Durch Anwendung einer solchen Massnahme lässt sich die maximal zulässige Geschwindigkeit im Gleisbogen deutlich erhöhen, wodurch sich besonders bei bogenreichen Strecken beachtliche Fahrzeitverkürzungen erzielen lassen.

Als Oberbegriff für technische Einrichtungen, die eine solche Querneigung ermöglichen, werden in der Fachsprache vielfach die Ausdrücke GSt (abgeleitet von "Gleisbogenabhängige Wagenkastensteuerung") oder NEITEC (von Neigetechnik) gebraucht. Es wird zwischen "aktiven" und "passiven" Neigesystemen unterschieden. Die nachfolgenden Betrachtungen beziehen sich ausschliesslich auf aktive Systeme, die sich gegenüber den passiven Systemen dadurch auszeichnen, dass die Neigung durch lagegeregelte Stellantriebe bewerkstelligt wird.

Für den antriebstechnischen Teil von NEITEC-Systemen gibt es verschiedene Ausführungsformen, ebenso für die jeweils zugeordnete Steuerung und Regelung.

Ausführliche Beschreibungen der theoretischen Grundlagen, des Aufbaus realer Systeme sowie vergleichende Betrachtungen zu verschiedenen Systemen liegen vor in Form von Aufsätzen in der Fachliteratur, z.B. in den Zeitschriften ETR-Eisenbahntechnische Rundschau 36/1987 H. 11-November bzw. ETR-Eisenbahntechnische Rundschau 42/1993, H. 1-2, Januar/Februar, verfasst von Volker Kottenhahn unter den Titeln "Schneller fahren auf vorhandenen Strecken - Die gleisbogenabhängige Wagenkastensteuerung", bzw. "NEITEC-Syteme im Vergleich".

Die dort beschriebenen aktiven NEITEC-Systeme arbeiten durchwegs mit lagegeregelten, über Servoventile hydraulisch angetriebenen Stellzylindern als Aktuatoren für die Neigungseinstellung des Wagenkastens gegenüber dem Drehgestell.

Weitere ausführliche Darstellungen über den konzeptionellen Aufbau von Systemen die seit einigen Jahren bereits fahrplanmässig verkehren, liefern die Aufsätze "Der neue dieselektrische Triebzug der Baureihe VT 610 der Deutschen Bundesbahn mit gleisbogenabhängiger Wagenkastensteuerung", ZEV + DET Glas.Ann. 115 (1991) Nr. 7/8 Juli/August, "Wagenkastenneigung in Schienenfahrzeugen" ZEV Glas.Ann. 113 (1989) Nr. 6/7 Juni/Juli und "Elektrischer Schnelltriebzug X2 der Schwedischen Staatsbahnen" Elektrische Bahnen ab 88 (1990) 7.

Repräsentative, aus diesen Beschreibungen hervorgehende Ausführungsformen sind in Fig. 1 und 2 dargestellt.

Fig. 1 zeigt eine Anordnung, bei welcher sich an der linken und rechten Seitenwand des Wagenkastens je ein Hydraulikzylinder 1 befindet, der im Wagenkasten 2 einerseits und auf einem Querträger 3 des Drehgestells andererseits abgestützt ist. Durch gegenläufige Bewegung der Kolben in den Stellzylindern 1 lässt sich der Wagenkasten um einen Wankpol 4 neigen, der etwa 500-550 mm über dem Fussboden des Wagenkasten liegt.

Die Kinematik der Neigungsbewegung wird im wesentlichen bestimmt durch die konstruktive Gestaltung der Pendelanordnung 5, über die der Wagenkasten 2 mit dem Querträger 3 verbunden ist.

Durch Gleislagefehler, bei Fahrt über Weichen, beim Einlauf in einen Uebergangsbogen oder beim direkten Einlauf aus der Geraden in einen Bogen, auch bei Ausfahrt aus dem Bogen oder beim Bogenwechsel ist das Drehgestell eines Schienenfahrzeuges unvermeidbaren ruckartigen Stössen, insbesondere in der Querrichtung, ausgesetzt, von denen der Wagenkasten nach Möglichkeit entkoppelt sein soll. Dies geschieht mit Hilfe eines Federungs- und Dämpfungssystems, das üblicherweise als "Sekundärfederung" bezeichnet wird und im Beispiel der Fig. 1 aufgebaut ist aus Federpaketen 6 mit parallel liegenden Dämpfern 7 und ist kombiniert mit einer aktiven Querfederung 8, bestehend aus einem oder mehreren Pneumatikzylindern. Mit der aktiven Querfederung wird die bei Kurvenfahrt nach aussen gerichtete Trägheitskraft des Wagenkastens querbeschleunigungsabhängig kompensiert, so dass der den Wagenkasten 2 tragende Querträger 3 in bezug auf seine Mittellage über dem Drehgestell 9 zentriert bleibt, was dadurch erreicht wird, dass der Pneumatikzylinder 8 eine der Trägheitskraft des Wagenkastens 2 gleich grosse pneumatische Kraft aufbringt und dieser entgegensetzt. Diese pneumatische Kraft wird durch dasselbe Signal aktiviert, das auch die Wagenkastenneigung einsteuert. Es wird hergeleitet aus einer Messung der nicht ausgeglichenen Seitenbeschleunigung durch einen am Drehgestell 9 angebrachten Beschleunigungsaufnehmer 10.

Dem gewünschten Nutzsignal, d.h. die bei Bogenfahrt auftretende Zentrifugalbeschleunigung, ist jedoch noch das Beschleunigungsspektrum überlagert, das den vorstehend erwähnten unvermeidbaren ruckartigen Störbewegungen am Drehgestell eigen ist.

Nach dem derzeitigen Stand der Technik werden in allen bisher bekannten NEITEC-Systemen diese kurzzeitigen Störkomponenten aus dem Beschleunigungs-Messignal durch einen Tiefpass herausgefiltert, bevor sie der Steuerung und Regelung zur Weiterverarbeitung zugeführt werden, damit der Neigeantrieb (und im Beispiel der Fig. 1 auch die aktive Querfederung) nicht zu unerwünscht harten Reaktionen veranlasst werden kann.

Wegen des gezielten Fernhaltens des gesamten Spektrums der seitlichen Störbeschleunigungen aus dem Steuerungs- und Regelungsteil des Neigesystems ist hier die Feststellung wichtig, dass die aktive Querfederung nur in dem Sinne als aktiv arbeitend angesehen werden kann, sofern damit die von der Steuerung und Regelung bewirkte automatische Anpassung der vom Pneumatikzylinder aufzubringenden Kraft gegen die jeweilige, bei Bogenfahrt anliegende quasistationäre Trägheitskraft des Wagenkastens erfolgt. Die durch die ruckartigen Störbewegungen an dieser Stelle entstehenden kurzzeitigen Störungen des Kräftegleichgewichts werden demzufolge nur passiv abgefangen, aber unzureichend, weswegen für die wirkungsvolle Dämpfung von Querkraftspitzen zusätzliche passive pneumatische Zylinder 11 vorgesehen sind, die quer zur Fahrtrichtung zwischen dem Drehgestell 9 und dem Wagenkasten 2 angebracht sind.

Ein weiteres vorbekanntes System ist in Fig. 2 skizziert. Auch hier wird die Neigungskinematik über eine Pendelanordnung 1 bewirkt. Als Stellantriebe dienen wiederum servoventilgesteuerte Hydraulikzylinder 2, die im Gegensatz zum Beispiel gemäss der Fig. 1 unterhalb des Wagenkastens 3 angeordnet sind. Die Sekundärfederung 4, die hier aus Luftbälgen besteht, befindet sich zwischen dem oberen Wiegebalken 5 des Drehgestells 6 und dem Boden des Wagenkastens 3. Damit werden die vom Drehgestell 6 angeregten Störbewegungen in vertikaler und seitlicher Richtung gedämpft. Eine aktive Querfederung zur Zentrierung des Wagenkastens auf seine Mittellage in Längsrichtung, wie im Beispiel der Fig. 1, ist hier nicht vorgesehen, weil die Sekundärfederung bei Bogenfahrt hier nicht so hohen Querkräften ausgesetzt ist wie bei der Konstruktion gemäss Fig. 1. Dort wirkt nämlich die Trägheitskraft des Wagenkastens seitlich voll auf den Wagenkasten ein, während die Sekundärfederung nach Fig. 2 nur der nicht ausgeglichenen Seitenbeschleunigung unterworfen ist. Dennoch können sich bei dieser Anordnung Schwierigkeiten bezüglich des angestebten Dämpfungsverhaltens ergeben, denn der seitliche Bewegungsspielraum der Luftfeder ist auf nur wenige cm begrenzt, und die Federcharakteristik verläuft progressiv, d.h. die Federung wird mit zunehmender Auslenkung härter, bis sie ganz zum Anschlag kommt. Dies bewirkt, dass bei ungünstigen fahrdynamischen Zuständen, besonders bei den gleisbedingten ruckartigen Querbeschleunigungen, die seitliche Dämpfung oftmals keine befriedigenden Ergebnisse liefert.

Ueber die in Fig. 1 und 2 aufgezeigten konstruktiven Ausgestaltungen hinaus sind weitere GSt-Anordnungen möglich, z.B. bei den Stellantrieben durch den Einsatz von elektromotorischen Linearantrieben anstelle der hydraulischen Stellkolben, oder durch Verwendung von nur einem Stellantrieb (hydraulisch oder elektrisch) je Drehgestell in vorzugsweise horizontaler Anordnung unter dem Wagenkasten, doch haben derartige Varianten praktisch keinen Einfluss auf die prinzipielle Funktionsweise der hier beschriebenen Federungs- und Dämpfungssysteme für den Wagenkasten.

Es bleibt festzuhalten, dass es nach dem derzeitigen Stand der Technik bei Schienenfahrzeugen mit gleisbogenabhängiger Wagenkastensteuerung keine aktive Stabilisierung des Wagenkastens gegen ruckartige seitliche Störbewegungen gibt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei Schienenfahrzeugen mit gleisbogenabhängiger Wagenkastensteuerung die Querstabilisierung des Wagenkastens gegen die z.B. durch Gleislagefehler, Fahrt über Weichen, Bogenein- und Bogenausfahrten bedingten ruckartigen Querstörungen, die vom Drehgestell her in den Wagenkasten übertragen werden, primär durch ein aktives Stabilisierungsverfahren mit Hilfe des Neigeantriebs zu bewerkstelligen.

Zur Erläuterung des neuen Verfahrens wird ausgegangen von einer Betrachtung des in Fig. 2 gezeigten mechanischen Systems. Bei eingeschalteter GSt wird dort der obere Wiegebalken 5 in seiner Soll-Winkellage durch die beiden hydraulischen Stellkolben 2 gehalten. Abgesehen von praktisch vernachlässigbaren Biegesteifigkeiten und einer gewissen Elastizität des Oelvolumens in den Zylindern und ihren Zuleitungen kann das aus Drehgestell 6, Pendelanordnung 1, Stellantrieb 2 und Wiege 5 gebildete mechanische System als starr angesehen werden, d.h. eine in Querrichtung auftretende ruckartige Bewegung des Drehgestells 6 wird voll als Seitenstörung gleicher Amplitude und Frequenz auf die Wiege übertragen und erreicht über die Sekundärfederung 4 den Wagenkasten 3.

Es hängt von der zeitlichen Folge der Stösse und den jeweiligen dynamischen Anfangsbedingungen, denen die einzelnen Teile des Fahrzeugs ausgesetzt sind, ab, wie stark sich im Wagenkasten derartige Störungen auswirken. Sie können gegebenenfalls weiter gedämpft werden und weitgehend abgeklungen sein bis zum Einsatz der nächsten Störung, sie können sich unter ungünstigen Umständen aber auch aufschaukeln und zu harten Querbelastungen des Wagenkastens führen, womit dann auch für die Reisenden der Fahrkomfort beeinträchtigt wird.

Erfindungsgemäss wird nun beim Auftreten von ruckartigen Querstörungen am Drehgestell die sonst "starre" Verbindung zur Wiege kurzfristig dadurch aufgehoben, dass der Stellantrieb des Neigesystems eine zur Seitenbewegung des Drehgestells gegenläufige Relativbewegung der Wiege ausführt, also gewissermassen die Störbewegung durch eine Ausweichbewegung ins Leere laufen lässt. Je besser diese Entkopplung gelingt, umso kleiner werden die über die Sekundärfederung noch im Wagenkasten ankommenden Restbewegungen.

Regelungstechnisch gesprochen wird also bei diesem neuen Verfahren das Ziel verfolgt, die Wiege in Querrichtung gegenüber den Bewegungen des Drehgestells inertial zu stabilisieren.

Eine regelungstechnische Struktur, mit welcher sich z.B. eine aktive Querstabilisierung des Wagenkastens erzielen lässt, wird anhand der Blockdarstellung in Fig. 3 aufgezeigt. Drehgestell 1 und Wiege 3 sind über die die Kinematik des Neigesystems bestimmende Pendeleinrichtung 2 verbunden, zwischen der Wiege 3 und dem Wagenkasten 5 befindet sich die Sekundärfederung 4. Die Kräfte, mit denen der Wagenkasten 5 in den bei Bogenfahrt gewünschten Neigungswinkel positioniert und dort gehalten wird, werden von der Stelleinrichtung 6 aufgebracht, die zwischen dem Drehgestell 1 und der Wiege 3 wirksam ist. Als Stelleinrichtung 6 können, wie vorstehend bereits dargelegt, entweder servoventilgesteuerte Hydraulikzylinder oder elektromotorisch angetriebene Aktuatoren, einzeln oder zweifach je Drehgestell, zu Einsatz kommen. Ein üblicherweise am vorderen Drehgestell jedes Wagens angebrachter Beschleunigungsaufnehmer 7 misst die nicht durch Gleisüberhöhung ausgeglichene Querbeschleunigung, die in der Fachsprache mit a_q bezeichnet wird. Die im Nutzsignal a_q enthaltenen Störanteile (das sind die durch Gleislagefehler usw. bedingten Beschleunigungskomponenten) werden durch einen Tiefpass 8 herausgefiltert, bevor das Signal zum Neigungswinkel-Sollwert α_Soll weiterverarbeitet wird, der dann nach Vergleich mit dem Neigungswinkel-Istwert α_Ist (gemessen zwischen Drehgestell 1 und Wiege 3 durch eine Einrichtung 9) in der Summierstelle 10 dem Lageregler 11 zugeführt wird.

Es gibt auch Systeme, bei denen anstelle von a_q die in Querrichtung des Wagenkastens angreifende Beschleunigung gemessen und der Weiterverarbeitung durch den Lageregler 11 zugeführt wird. Aber auch in diesen Fällen wird vorher das Nutzsignal durch einen bei etwa 2 Hz liegenden Tiefpass von den höherfrequenten Störanteilen befreit, (s. hierzu Deutsches Patentamt, Auslegeschrift 1961553, Akt.-Z. P 19 61 553.3-21).

Der Ausgang des Lagereglers gibt solange Stellbefehle an den Antrieb ab, bis der gewünschte Neigungswinkel erreicht ist.

Bei den konventionellen NEITEC-Systemen steuert der Lageregler 11 unter Umgehung der in Fig. 3 gestrichelt umrahmten Blöcke direkt den Stellantrieb 6 an, bei den bekannten Hydroantrieben, z.B. dadurch, dass das Lageregler-Ausgangssignal einem Servoventil zugeführt wird, das seinerseits die Leistungsverstärkung vornimmt und den Oelstrom für den bzw. die Stellzylinder steuert.

Neuerungsgemäss wird jetzt ein zusätzlicher Regelkreis eingebracht (in Fig. 3 innerhalb der gestrichelten Umrahmung dargestellt), an dessen Eingang sich eine Summierstelle 12 befindet, in welcher der Ausgang des Lagereglers 11 mit einem Signal verglichen wird, das der zwischen Drehgestell 1 und Wiege 3 wirkenden Kraft proportional ist. Die hierzu erforderliche Kraftmessung kann mittels eines handelsüblichen, auf der Basis von Längenänderungen durch Dehnung und Stauchung arbeitenden Sensors 13 erfolgen, der z.B. am Gehäuse des Stellzylinders bei einem Hydroantrieb oder am Spindelgehäuse bei einem Elektroantrieb angebracht sein kann, gegebenenfalls auch an der Montagehalterung der Stelleinrichtung. Bei hydraulischen Stellantrieben lässt sich auch daran denken, anstelle einer Längenänderungsmesssung in der Antriebsmechanik eine Druckmessung am Stellzylinder vorzunehmen, da der dort gemessene Druck der am Antrieb wirkenden Kraft proportional ist.

Bei störungsfreiem Betrieb des Neigesystems, wenn also keine gleisfehlerbedingten oder ähnliche Störungen auf die Stelleinrichtung einwirken, ist die Haltekraft bei Bogenfahrt konstant (bei Geradeausfahrt ist sie Null); dann ist auch der Kraftregelkreis in Ruhe. Meldet nun der Kraftsensor eine durch ruckartige Querbeschleunigung am Drehgestell verursachte kurzzeitige Störung des Kräftegleichgewichtes in der Antriebsmechanik, so wird auch das Gleichgewicht in der Summierstelle 12 gestört, worauf der Kraftregler 14 so reagiert, dass er das vorherige Kräfteverhältnis in der Stelleinrichtung aufrechtzuerhalten sucht, d.h. der Stellantrieb hält die Wiege in bezug auf das Drehgestell nicht mehr starr fest wie vorher, sondern er lässt die Wiege nach Massgabe der Störung eine Ausweichbewegung ausführen. Diese spielt sich aufgrund der kinematischen Gegebenheiten zwar als Drehbewegung um den Wankpol ab, im interessierenden Arbeitsbereich ist jedoch die erforderliche horizontale Ausweichlänge jederzeit sichergestellt. Die sich durch die erwähnte Kreisbogengeometrie gleichzeitig dabei ergebende vertikale Lageänderung der Wiege hat keinen nennenswerten Einfluss auf die Lagestabilität des Wagenkastens, da ihre Wirkung durch die Sekundärfederung weitgehend abgefangen wird.

Die mit Hilfe des Kraftregelkreises erzielbare Seitenstabilisierung der Wiege und somit auch des Wagenkastens lässt sich noch verbessern durch eine zusätzliche Beaufschlagung der Summierstelle 12 mit einem von der Seitenstörung abgeleiteten Beschleunigungssignal 15. Wird es an der Wiege gemessen und in 12 eingespeist, so entsteht damit ein weiterer Regelkreis. Man kann ihn als Beschleunigungsregelkreis bezeichnen. Eine andere Möglichkeit ist die Einspeisung der im a_q-Signal des Beschleunigungsaufnehmers 7 enthaltenen Störkomponenten in die Summierstelle 12 als sogenannte "Störgrössenaufschaltung" (hier werden die Störungen im a_q-Signal, die bei allen bisher bekannten Ausführungen von NEITEC-Systemen herausgefiltert werden, gezielt zur Stabilisierung des Wagenkastens eingesetzt).

Sollte es bei einem GSt-Projekt Gründe geben, einen Kraft- bzw. Druckregelkreis nicht in der vorgeschlagenen Weise realisieren zu können, so kann als alternative Lösung dieser innerste Regelkreis weggelassen werden und statt dessen nur ein Beschleunigungskreis aufgebaut werden.

Die beste Stablisierungswirkung gegen Querstörungen wird im Wagenkasten dann erzielt, wenn das erfindungsgemässe Verfahren auf die Antriebseinrichtungen an beiden Drehgestellen eines Schienenfahrzeuges angewendet wird, wobei jede der beiden Anordnungen unabhängig von der anderen mit eigener Sensorik und Reglern ausgestattet ist.

Claims (5)

1. Verfahren zur Querstabilisierung eines mit einer gleisbogenabhängigen Wagenkastensteuerung ausgestatteten Schienenfahrzeugs bei Geradeaus- und Bogenfahrt gegen ruckartige seitliche Störbewegungen, die durch Gleislagefehler, Fahrt über Weichen, Bogenein- und Bogenausfahrten oder sonstige Unregelmässigkeiten in der Gleisführung am Drehgestell (6) auftreten und von dort auf den Wagenkasten einwirken, dadurch gekennzeichnet, dass der Wagenkasten (3) während des Störvorganges dynamisch gegenüber dem Drehgestell entkoppelt wird, indem mit Hilfe eines oder mehrerer Sensoren, die eine oder mehrere für die Störung repräsentative Zustandsgrösse erfassen, eine regelungstechnisch eingesteuerte, der Störbewegung gegenläufige Bewegung zwischen Drehgestell (6) und Wagenkasten (3) hergestellt wird, wobei als Aktuator (2) für diesen Bewegungsvorgang die gleiche Antriebsbaugruppe Verwendung findet, mit der auch der Neigungswinkel bei der gleisbogenabhängigen Wagenkastensteuerung eingestellt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dynamische Entkopplung zwischen Drehgestell und Wagenkasten mit Hilfe eines dem Lageregelkreis der Neigungseinrichtung unterlagerten Kraftregelkreises bewerkstelligt wird, und dass bei Bedarf zur weiteren Verbesserung der Entkopplung der Kraftregelkreis zusätzlich noch mit einem Beschleunigungssignal beaufschlagt wird, das vorzugsweise an der Tragevorrichtung des Wagenkastens oder am Wagenkasten selbst gemessen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung einer servoventilgesteuerten hydraulischen Antriebsbaugruppe dem Lageregelkreis der Neigungseinrichtung ein Druckregelkreis unterlagert wird, und dass bei Bedarf zur weiteren Verbesserung der Entkopplung der Druckregelkreis zusätzlich noch mit einem Beschleunigungssignal beaufschlagt wird, das vorzugsweise an der Tragevorrichtung des Wagenkastens oder am Wagenkasten selbst gemessen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dynamische Entkopplung zwischen Drehgestell und Wagenkasten mit Hilfe eines Beschleunigungsregelkreises bewerkstelligt wird, dessen Sensor vorzugsweise an der Tragevorrichtung des Wagenkastens oder am Wagenkasten selbst angebracht ist.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung einer elektromotorischen Antriebsbaugruppe ein der Störbeschleunigung proportionales Signal in den Stromregelkeis des Motors eingegeben wird.

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