EP1003661B2

EP1003661B2 - Verfahren zur kurvenerkennung und achsausrichtung bei schienenfahrzeugen

Info

Publication number: EP1003661B2
Application number: EP99925009A
Authority: EP
Inventors: Markus Koch; Frank Hentschel; Günther Himmelstein; Rolf Krouzilek
Original assignee: Bombardier Transportation GmbH
Current assignee: Alstom Transportation Germany GmbH
Priority date: 1998-06-13
Filing date: 1999-05-19
Publication date: 2009-09-16
Anticipated expiration: 2019-05-19
Also published as: HUP0003302A2; IL134496A0; IL134496A; DE19861086B4; PL197048B1; NO995807D0; HU222388B1; PL337851A1; WO1999065751A1; EP1003661B1; NO320337B1; DE19861086A1; HUP0003302A3; EP1003661A1; NO995807L; DE59911399D1; US6571178B1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung einer Gleiskrümmung bei einem Fahrwerk für Schienenfahrzeuge, und ein Verfahren zur lenkenden Ausrichtung einer drehbar an einem Fahrwerksrahmen befestigten Achse eines Schienenfahrwerkes nach der Gleiskrümmung, wobei die Gleiskrümmung aus der Division einer Giergeschwindigkeit durch eine Translationsgeschwindigkeit berechnet wird und die Räder nach einem Soll-Lenkwinkel (ηsoll) ausgerichtet werden, der durch Multiplikation der Gleiskrümmung (χ) mit dem halben Abstand (b) zwischen den beiden Achsen (12, 13) des Fahrwerkes (10) berechnet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur lenkenden Ausrichtung einer drehbar an einem Fahrwerkrahmen befestigten Achse eines Schienenfahrwerkes nach der Gleiskrümmung.
Insbesondere im Nahverkehr kommen überwiegend Schienenfahrzeuge mit zweiachsigen Fahrwerken zum Einsatz. Dabei führen enge Kurven, die oftmals durch den Straßenverlauf vorgegeben sind, zu einer schlechten Kurvengängigkeit von mehrachsigen Fahrwerken. Dies ist vornehmlich bei Schienenfahrzeugen zu beobachten, deren Räder hinsichtlich ihrer Gierbewegung starr mit dem Fahrwerksrahmen verbunden sind.
Eine Lösung dieses Problems wird dadurch erzielt, daß die Achse bzw. die Räder lenkbar im Fahrwerksrahmen gelagert sind. Durch eine Vorrichtung zum Ausrichten der Achse bzw. der Räder kann eine Lenkbewegung entsprechend der Gleiskrümmung erfolgen.
Aus der DE 195 38 379 C1 ist ein zweirädriges Fahrwerk mit Einzelradantrieb für spurgeführte Fahrzeuge mit gesteuerter Lenkung bekannt, bei dem das Fahrwerk pro Radträger zwei jeweils außerhalb der Radaufstandspunkte befindliche vertikale Schwenkachsen aufweist, wobei abwechselnd - unter Arretierung der Position der aktuell bogenäußeren Schwenkachse - der Radträger um genau diese arretierte Achse geschwenkt wird.
Aus der DE 92 19 042 U1 ist ein Verfahren zur Kurvenerkennung bekannt, das die Gleiskrümmung durch Indukivtaster bestimmt.
Weiterhin sind Verfahren bekannt, bei denen die Lenkung der Räder bzw. Achsen passiv erfolgt. Dies kann entweder durch die Spurführungskräfte oder durch eine mechanische Kopplung der Achsstellung mit dem Verdrehwinkel zwischen den Wagenkästen erfolgen. Diese mechanischen Lösungen haben jedoch den Nachteil, daß sie nur eine sehr ungenaue Lenkung ermöglichen.
Eine genaue Ausrichtung ist hingegen nur möglich, wenn die Achse aktiv, z.B. mit einem Servoantrieb, eingestellt wird. Die Regelung des Lenkwinkels, der dem Relativwinkel zwischen Rad bzw. Achse und Fahrwerkrahmen entspricht, erfordert die Vorgabe eines Lenkwinkelsollwertes. Zur Bestimmung des Lenkwinkelsollwertes bedarf es wiederum der Kenntnis der Gleiskrümmung.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Messung der Gleiskrümmung für Schienenfahrzeuge zu schaffen, um mit Hilfe dieses Wertes den Sollwert für die Lenkwinkelregelung zu berechnen.
Gelöst wird die Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1, u.a. dadurch, daß die Gleiskrümmung aus der Division einer Giergeschwindigkeit durch eine Translationsgeschwindigkeit berechnet wird und die Räder nach einem Soll-Lenkwinkel ausgerichtet werden, der durch Multiplikation der so berechneten Gleiskrümmung mit dem halben Abstand zwischen den beiden Achsen des Fahrwerks berechnet wird.
Weitere vorteilhafte Maßnahmen sind in den Unteransprüchen beschrieben. Die Erfindung ist in der beiliegenden Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend näher beschreiben; es zeigt:

Fig. 1: das Verhältnis der Translations- und der Giergeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Krümmung der Schiene;
Fig. 2: die Abhängigkeit der idealen Winkelstellung der Achse von der Kurvenkrümmung;
Fig. 3: den Krümmungsverlauf an der Hinterachse im Vergleich zu der Näherung durch das Meßverfahren beim Durchfahren einer Gleiskrümmung;
Fig. 4: den idealen Lenkwinkelverlauf (γ _ideal) im Vergleich mit dem berechneten Soll-Lenkwinkel (γ _soll);
Fig. 5: den idealen Lenkwinkelverlauf (γ _ideal) im Vergleich mit dem berechneten Soll-Lenkwinkel (γ _soll) nach der Filterung der Giergeschwindigkeit (Ω);

Die Figuren 1 und 2 zeigen ein Fahrwerk 10 für ein nicht näher dargestellten Schienenfahrzeug, mit Achsen 12 und 13, an denen Räder 16 befestigt sind. Die Achse 12 und 13 sind in dem Fahrwerk 10 befestigt. Das Fahrwerk 10 bzw. die Achsen 12 und 13 sind durch ein zentrisch angeordnetes Gelenk 15 drehbar gelagert.
Das Fahrwerk 10 ist dargestellt, während es mit einer Translationsgeschwindigkeit v einen Gleisbogen 11 durchfährt, der einen Radius R aufweist. Mit Hilfe von Mitteln, die die Giergeschwindigkeit Ω bestimmen, kann der Radius R bzw. die Gleiskrümmung χ berechnet werden. Die Gleiskrümmung χ entspricht hierbei dem Kehrwert des Radius R. Die Division der Giergeschwindigkeit Ω durch die Translationsgeschwindigkeit v ergibt die Gleiskrümmung χ, entsprechend der in Figur 1 dargestellten Gleichung. Der hieraus gewonnene Wert der Gleiskrümmung χ wird zur Lenkung der Achsen 12 bzw. 13 genutzt. Das Verhältnis zwischen der realen und berechneten Gleiskrümmung χ kann der Figur 3 entnommen werden.
Die Giergeschwindigkeit Ω wird vorzugsweise durch einen nicht näher dargestellten Drehraten- oder Kreiselsensor bestimmt, wie er beispielsweise aus der Navigationstechnik bekannt ist.
Da der Abstand zwischen den Spurkränzen der Räder 16 einer Achse 12 bzw. 13 etwas kleiner ist als der Abstand zwischen den Schienen 17, kann sich die Lage der Achse im Spurkanal lateral um einige Millimeter verschieben. Somit können Kraftstöße, die wegen der oft nicht exakten Gleisführung auf das Fahrwerk 10 wirken, zur Gierbewegung führen. Diese pendelnden Bewegungen haben jedoch auf die Meßwerte des Kreiselsensors einen nicht unwesentlichen Einfluß. Zur Eliminierung der Wirkung der pendelnden Gierbewegung des Fahrwerks im Gleis wird der Meßwert der Giergeschwindigkeit Ω mittels eines - nicht dargestellten - Tiefpaßfilters geglättet. Die Wirkung des Tiefpaßfilters beim Durchfahren eines Gleisbogens ist Figur 5 zu entnehmen.
Mit Hilfe der so berechneten Gleiskrümmung χ erfolgt die Ausrichtung der Achsen 12 und 13. Dabei dient die Gleiskrümmung χ zur Ermittlung des Soll-Lenkwinkels γ _soll nach dem die Achsen 12 und 13 ausgeregelt werden. Die Einstellung der Achsen 12 und 13 kann z.B. durch einen Servomotor erfolgen.
Der Sinus des Soll-Lenkwinkels γ _soll des - nicht dargestellten - Reglersystems berechnet sich durch Multiplikation der Gleiskrümmung χ mit dem halben Abstand b zwischen den Achsen 12 und 13, entsprechend der Gleichung in Figur 2.
So ergeben sich während des Kurveneinlaufs zwei Näherungen. Die erste Näherung besagt, daß für eine exakte Sollwertberechnung beim Kurveneinlauf sowohl der Krümmungsverlauf an der Vorderachse 12 als auch an der Hinterachse 13 bekannt sein müßte, jedoch wird aufgrund der Fahrwerksdrehung nur ein Wert dazwischen gemessen, wie Figur 3 zeigt. Außerdem erfolgt eine Näherung bei der Lenkwinkelberechnung während des Kurveneinlaufs, da die geometrische Beziehung nach Figur 2 nur exakt richtig ist, wenn sich beide Achsen 12 und 13 in der Kurve befinden, Die beiden Näherungen heben sich im wesentlichen auf, so daß der berechnete Soll-Wert γ _soll, wie Figur 4 zeigt, sehr gut mit dem idealen Lenkwinkel γ _ideal übereinstimmt.
Weist ein Schienenfahrzeug mehrere Fahrwerke 10 auf, so muß nur der Soll-Lenkwinkel γ _{soll 1} für das in Fahrtrichtung vorderste Fahrwerk ermittelt werden. Die weiteren Fahrwerke können diesen Soll-Lenkwinkel zeitlich versetzt übernehmen. Die Soll-Lenkwinkel γ _{soll 1 + i} für die in Fahrtrichtung nachfolgenden Fahrwerke werden durch zeitliche Verzögerungen Δt aus dem ersten Soll-Lenkwinkel γ _{soll 1} berechnet. Die Verzögerung Δt ergibt sich aus der Division des Abstandes a_i des nachlaufenden Fahrwerkes i zum ersten Fahrwerk durch die Translationsgeschwindigkeit v.

Bezugszeichen

10: Schienenfahrzeug-Fahrwerk
11: Gleiskrümmung
12: Achse, vorne
13: Achse, hinten
15: Gelenk
16: Rad
17: Schiene
χ: Gleiskrümmung
Ω: Giergeschwindigkeit
v: Translationsgeschwindigkeit
R: Krümmungsradius
γ _soll: Soll-Lenkwinkel
γ _ideal: Ideal-Lenkwinkel
b: Abstand zwischen den Achsen
Δt: zeitliche Verzögerung
a_i: Abstand zwischen dem 1. und dem i-ten Fahrwerk

Claims

Verfahren zur lenkenden Ausrichtung von drehbar auf einem Fahrwerk befestigten Rädern eines Schienenfahrzeuges in einer Gleiskrümmung, dadurch gekennzeichnet, daß die Räder nach einem Soll-Lenkwinkel (γ_soll) ausgerichtet werden, der durch Multiplikation der Gleiskrümmung (χ) mit dem halben Abstand (b) zwischen beiden Achsen des Fahrwerks berechnet wird, wobei die Gleiskrümmung (χ) aus der Division der Giergeschwindigkeit (Ω) des Fahrwerks durch die Translationsgeschwindigkeit (v) berechnet wird, wobei zur Eliminierung des Einflusses der pendelnden Gierbewegung des Fahrwerks im Spurkanal der Meßwert der Giergeschwindigkeit (Ω) mittels eines Tiefpaßfilters geglättet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Giergeschwindigkeit (Ω) durch einen Drehraten- bzw. Kreiselsensor bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Lenkung mehrerer Fahrwerke eines Schienenfahrzeugs nur die Gleiskrümmung (χ) und der Soll-Lenkwinkel (γ_{soll 1}) für das ersten Fahrwerk bestimmt wird, während die Soll-Lenkwinkel (γ_{soll 1 + i}) für die in Fahrtrichtung nachfolgenden Fahrwerke durch zeitliche Verzögerung (Δt) aus dem ersten Soll-Lenkwinkel (γ_{soll 1}) berechnet werden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Verzögerung aus Δt = a_i /v ergibt, wobei a_i der Abstand des nachlaufenden Fahrwerks i zum ersten Fahrwerk und v die Translationsgeschwindigkeit ist.