EP3898377B1

EP3898377B1 - Ventilanordnung und verfahren zur regelung des luftfederungsniveaus eines schienenfahrzeugs

Info

Publication number: EP3898377B1
Application number: EP19839315.9A
Authority: EP
Inventors: Christian Busch; Thomas Paeth; Heinz-Hermann Meyer
Original assignee: Aventics GmbH
Current assignee: Aventics GmbH
Priority date: 2018-12-20
Filing date: 2019-12-02
Publication date: 2022-06-22
Anticipated expiration: 2039-12-02
Also published as: CN113474232B; US20220048547A1; US12128937B2; CN113474232A; DE102018009962B3; WO2020125830A1; EP3898377A1

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine Ventilanordnung und ein Verfahren zur Regelung des Luftfederungsniveaus eines Schienenfahrzeugs.

Stand der Technik

Im Stand der Technik ist der Einsatz von Luftfederungen für Schienenfahrzeuge grundsätzlich bekannt. Derartige Luftfederungen sind bei Schienenfahrzeugen üblicherweise in Form von zwischen dem Wagenkasten und dem Fahrwerk oder Drehgestell eines Wagons angeordneten Luftfederbälgen realisiert und dienen als Sekundärfederung zur elastischen Lagerung des Wagenkastens gegenüber dem Fahrwerk oder Drehgestell. Sie entkoppeln den Wagenkasten weitestgehend von Unebenheiten der Gleisanlage durch die passiven Federungseigenschaften und Kompressibilität der statisch beaufschlagten Luftfederbälge und/oder deren aktiv gesteuerten Beaufschlagung und Entlüftung im Fahrtbetrieb. Durch eine aktiv gesteuerte Beaufschlagung und Entlüftung der Federbälge ist gleichzeitig grundsätzlich ein Ausregeln von durch Beladungsänderungen eines Wagons hervorgerufenen Änderungen des Niveaus, d.h. der relativen Höhenlage des Wagenkastens relativ zum Fahrwerkrahmen ermöglicht.
Die DE 22 16 544 C3 offenbart eine Luftfederung für Schienenfahrzeuge, bei der die Beaufschlagung und Entlüftung einer Luftfederungseinrichtung mittels eines mechanisch über einen Hebel und ein mit dem Wagenkasten und dem Fahrwerk verbundenes Messgestänge betätigtes Niveauregelungsventil gesteuert ist. Eine solche rein mechanische Ventilsteuerungsanordnung ist konstruktiv relativ aufwendig und aufgrund der mechanischen Ansteuerung im Steuerungsverhalten gleichzeitig unflexibel und nur konstruktiv aufwendig veränderbar. Bei der steuerungstechnischen Auslegung einer solchen rein mechanischen Ventilsteuerungsanordnung besteht zudem in einem Auslegungskonflikt zwischen einem möglichst schnellen Steuerungsverhalten bei signifikanten Beladungsänderungen - etwa bei der Beladung eines Wagons oder dem Personenzutritt im Standbetrieb am Bahnsteig - einerseits und einer möglichst luftsparenden, eher reaktionsträge ausgelegten Steuerung im Fahrtbetrieb - zum Beispiel bei rein kurzfristigen Stoßerschütterungen aufgrund von Unebenheiten der Gleisanlage - andererseits. Die AU 001983018195B offenbart eine insoweit vergleichbare technische Lösung mit einem mechanisch über einen Hebel und ein mit dem Wagenkasten und dem Fahrwerk verbundenen Gestänge betätigten Luftsteuerungsventil.
Die DE 296 20 200 U1 offenbart eine elektronische Steuerung für eine Luftfederung für Schienenfahrzeuge mit einem elektropneumatischen Ventil, bei der die Höhenlage eines Fahrzeugsaufbaus gegenüber einem Drehgestell oder Fahrwerk mittels eines durch einen ein elektrisches Messsignal an eine Steuerelektronik liefernden Höhengebers erfasst wird. Zur Vermeidung des bereits dargelegten Auslegungskonflikts erfolgt mittels einer Steuerelektronik ein Umschalten der Ansprechzeit oder Charakteristik des Systems im Standbetrieb gegenüber dem Fahrtbetrieb. Die Funktionsweise der Steuerungseinrichtung soll hierbei derart ausgebildet sein, dass einerseits bei stehendem Fahrzeug (statische Belastungen) eine sehr genaue Höhenlage des Fahrzeugaufbaues einstellbar ist, wobei andererseits während der Fahrt (dynamische Belastungen) ein Nichtreagieren auf beispielsweise Wankbewegungen erreicht wird. Ein konkretes Steuerungsmodell für die beiden Betriebsmodi wird von der DE 296 20 200 U1 hierfür nicht offenbart.
Die österreichische Druckschrift AT 503 256 B1 und die mit ihr als gemeinsame Prioritätsanmeldung verbundenen Druckschriften WO2007/104370 A1 und EP 1 993 862 B1 offenbaren verschiedene Ausführungen einer elektronischen Luftfedersteuerung für ein Schienenfahrzeug mit einem mechanisch über ein Gestänge betätigbaren Ventil. Zur Vermeidung des Auslegungskonflikts zwischen einem möglichst schnellen Steuerungsverhalten bei Beladungsänderungen im Standbetrieb und einer luftsparenden Steuerung im Fahrtbetrieb offenbaren die Druckschriften die zusätzliche Anordnung eines Regelventils oder eines steuerbaren Schaltmittels in der Verbindungsleitung zwischen dem mechanisch betätigbaren Ventil und zumindest einer Luftfeder zur Ermöglichung einer Drosselung des Luftaustauschs zwischen dem mechanisch betätigbaren Ventil und der zumindest einer Luftfeder. Alternativ offenbaren die Druckschriften insoweit ferner die Anordnung zweier Regelventile oder steuerbaren Schaltmittel, jeweils in der Zu- und Abluftleitung des mechanisch betätigbaren Ventils. Die von diesen Druckschriften offenbarten Luftfedersteuerungen sind konstruktiv relativ aufwendig und erfordern einen relativ großen Bauraum, weil die elektrisch oder elektronisch steuerbaren Schaltmittel oder Regelventile lediglich als zusätzliche Mittel neben dem mechanisch betätigbaren Ventil vorgesehen sind. Die Steuerung der Beaufschlagung und Entlüftung erfolgt primär durch das mechanisch über ein Gestänge betätigbare Ventil wodurch das System funktional und konstruktiv relativ unflexibel ausgelegt ist. So ist beispielsweise keine vom jeweils bestehenden Wagenhub unabhängige Beaufschlagung der Luftfeder ermöglicht, etwa zum reinen Niveauausgleich an hohen Bahnsteigen. Die mechanische Betätigung über ein Gestänge und Hebel unterliegt zudem konstruktionsbedingt einem relativ hohen Verschleiß. Schließlich offenbaren die Druckschriften kein Steuerungsmodell für die elektrische oder elektronische Betätigung der zusätzlichen Regelventile oder steuerbaren Schaltmittel zur Drosselung des Luftaustauschs. Ein solches muss ausgehend von dem durch die AT 503256 B1 ,
WO2007/104370 A1 und EP 1 993 862 B1 offenbarten Stand der Technik erst entwickelt werden.
Die österreichische Druckschrift AT 508 044 A1 und die mit ihr als gemeinsame Prioritätsanmeldung verbundenen Druckschriften WO2010/115739 A1 und EP 2 416 997 B1 offenbaren ein Verfahren zur Steuerung einer Luftfederanordnung eines Fahrzeuges, bei welchem durch Ansteuerung zumindest eines Ventils der Luftfederanordnung, welches ein elektronisch steuerbares Proportionalventil sein kann, ein einem bestimmten Zustand des Fahrzeuges zugeordnetes Höhenregelungsverhalten eingestellt wird. Aus dem Zustand des Fahrzeuges werden diskrete Zustandsparameter abgeleitet, die zu Parametersätzen zusammengefasst werden, wobei jedem Parametersatz ein definiertes Höhenregelungsverhalten zugeordnet wird. Das Höhenregelungsverhalten wird durch Veränderung eines definierten stufenförmigen Verlaufs von Ventilkennlinien des Proportionalventils auf Basis der begrenzten Anzahl von Parametersätzen gezielt vorgegeben und eingestellt. Das Verhalten des Proportionalventils ist hierbei in Nachbildung eines mechanisch betätigten Ventils jeweils ausschließlich als Funktion der Regelabweichung abgebildet. Die Realisierung einer elektronischen Steuerung mit nicht-linearen Ventilkennlinien mit einem definierten stufenförmigen Verlauf erfordert die vorherige Modellierung entsprechender Steuerungsprofile als Reihen von Festwerten in Bezug auf die diskretisierten Zustandsparameter, wobei in zeitaufwendigen Vorfeldversuchen zunächst entsprechende Messwerte erhoben und die erforderlichen Stellgrößen für jede gewünschte Ventilkennlinie zum Beispiel iterativ ermittelt werden müssen. Ferner birgt die Vorgabe eines festen Steuerungsprofils als Reihe von Festwerten den weiteren Nachteil, dass vom jeweiligen Steuerungsprofil nicht erfasste Störgrößen (bspw. veränderte Umgebungs- und Systemtemperaturen oder durch Verschleißeffekte bedingte Bauteiltoleranzen) nicht oder nur unzureichend berücksichtigt werden können.

Offenbarung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die dargestellten Nachteile zu vermeiden. Insbesondere soll ein konstruktiv einfach aufgebautes und einfach parametrierbares System zur Regelung des Luftfederungsniveaus eines Schienenfahrzeugs bereitgestellt werden.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Ventilanordnung nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 12 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Der Kern der Erfindung bildet eine Ventilanordnung zur Regelung des Luftfederungsniveaus eines Schienenfahrzeugs, umfassend ein Proportional-Wegeventil, ein Sensormittel zur kontinuierlichen Erfassung einer den Abstand eines Wagenkastens von einem Fahr- oder Drehgestell des Schienenfahrzeugs repräsentierenden Abstandsgröße und eine digitale Regelungseinrichtung, wobei die Regelungseinrichtung programmtechnisch eingerichtet ist zur Ermittlung einer Regelabweichung anhand des vom Sensormittel erfassten Ist-Abstands und einen Vergleich mit einem vorgebbaren Soll-Abstand und zur kontinuierlichen Generierung von Stellgrößen als lineare Funktion der ermittelten Regelabweichung und der Wagenkasten-Verfahrgeschwindigkeit. Ein hierfür geeignetes Sensormittel erfasst kontinuierlich eine den Abstand eines Wagenkastens von einem Fahr- oder Drehgestell des Schienenfahrzeugs repräsentierende Abstandsgröße und wandelt diese in ein geeignetes elektrisches Signal um, das von der digitalen Regelungseinrichtung verarbeitbar ist. Dies kann beispielsweise ein Winkelsensor sein, der den Abstand des Wagenkastens von dem Fahr- oder Drehgestell über ein mechanisches Gestänge mittels eines Hebels erfasst, wie dies von der DE 296 20 200 U1 oder der WO2010/115739 A1 offenbart ist. Ein solcher Winkelsensor kann die Abstandsgröße hierbei fortlaufend elektrisch als Analogsignal oder als inkrementales Signal an die Regelungseinrichtung ausgeben. Im ersten Fall erfolgt eine anschließende Diskretisierung des Sensorsignals durch die digitale Regelungseinrichtung. Andere geeignete Sensormittel erfassen die Abstandsgröße beispielsweise fortlaufend induktiv oder optisch und geben diese als analogen oder inkrementalen elektrischen Signalwert an die Regelungseinrichtung aus. Die Ermittlung der Regelabweichung erfolgt durch fortlaufenden Vergleich des vom Sensormittel erfassten Ist-Abstands - der innerhalb des geschlossenen Regelkreises die Regelgröße darstellt - mit dem vorgebbaren Soll-Abstand - der innerhalb des geschlossenen Regelkreises die Führungsgröße darstellt. Die Regelabweichung ist innerhalb der linearen Regelungsfunktion beispielsweise als Proportionalanteil (P-Glied oder P-Anteil) berücksichtigbar. Die Wagenkasten-Verfahrgeschwindigkeit entspricht der zeitlichen Veränderung der Regelabweichung (Änderungsgeschwindigkeit) und ist innerhalb der linearen Regelungsfunktion beispielsweise als Differentialquotient entsprechend der zeitlichen Veränderung der Regelabweichung und mithin als Differentialanteil (D-Glied oder D-Anteil) berücksichtigbar.
Die Erfindung hat erkannt, dass hierdurch ein konstruktiv einfach aufgebautes und einfach parametrierbares System zur Regelung des Luftfederungsniveaus eines Schienenfahrzeugs bereitgestellt wird. Mit einem Proportional-Wegeventil sind grundsätzlich sämtliche zur Regelung des Luftfederungsniveaus eines Schienenfahrzeugs erforderlichen pneumatischen Regelungsfunktionen in einem einzigen Bauteil einfach abbildbar, nämlich sowohl die geregelte Beaufschlagung der Luftfederungseinrichtung, als auch die geregelte Entlüftung der Luftfederungseinrichtung und schließlich auch eine etwaig gewünschte Absperrung des Luftaustausch in einem bestimmten Beaufschlagungs- oder Entlüftungszustand, zum Beispiel im Fahrtbetrieb. Aufgrund der Umsetzung als lineare elektronische Regelungsfunktion der ermittelten Regelabweichung und der Wagenkasten-Verfahrgeschwindigkeit ist gleichzeitig eine effektive und schnelle Ausregelung der durch Beladungsänderungen eines Wagons hervorgerufenen Änderungen des Niveaus der Luftfederung, d.h. der relativen Höhenlage des Wagenkastens relativ zum Fahrwerkrahmen oder Drehgestell gewährleistet, ohne dass es hierzu einer aufwendigen Parametrierung bedarf. Insbesondere ist keine aufwendige Modellierung eines Profils als Reihe von Festwerten erforderlich. Indem die Ermittlung der Regelabweichung im einfachsten Fall durch den Vergleich des erfassten Ist-Abstands mit einem einzelnen fest vorgebbaren Wert für den Soll-Abstand erfolgt, ist bei gleichzeitiger Verwendung einer standardisierten linearen Funktion nur eine Parametrierung dieses einzelnen Festwertes (Soll-Abstand) erforderlich. Aufgrund der Ausgestaltung als geschlossener Regelkreis (auch als geschlossener Wirkungskreis bezeichnet) und der zusätzlichen Berücksichtigung der Wagenkasten-Verfahrgeschwindigkeit besitzt die technische Lösung gleichzeitig ein sehr dynamisches Korrekturmoment für den Ausgleich nicht unmittelbar erfasster Störgrößen. Die zur Umsetzung der elektronischen Regelung erforderliche digitale Regelungseinrichtung ist hierbei ebenfalls bauraumsparend einfach als entsprechender Mikrocontroller in das Gehäuse des Proportional-Wegeventils oder ein gemeinsames Gehäuse für sämtliche Komponenten der Ventilanordnung integrierbar, etwa als "single-board computer (SBC)", bei dem sämtliche zum Betrieb nötigen elektronischen Komponenten (CPU, Speicher, Ein- und Ausgabeschnittstellen, A/D-Wandler, DMA-Controller, usw.) auf einer einzigen Leiterplatte zusammengefasst sind. Gleiches gilt für das Sensormittel, das beispielsweise als Winkelsensor unmittelbar in das Gehäuse des Proportional-Wegeventils oder ein gemeinsames Gehäuse für sämtliche Komponenten der Ventilanordnung integrierbar ist, der über einen mit einem mechanischen Messgestänge verbundenen Hebel betätigbar ist. Die erfindungsgemäße Ventilanordnung ist ferner zur Niveauregelung sämtlicher pneumatisch ansteuerbarer Luftfederungseinrichtungen zur Federung eines Fahrzeugsaufbaus oder einer Karosserie gegenüber einem Fahrwerk oder einem Fahrgestell von Fahrzeugen einsetzbar, die eine geregelte Beaufschlagung oder Entlüftung ermöglichen, wie zum Beispiel ein Luftfederbalg, eine Anordnung von mehreren Luftfederbälgen oder beispielweise auch einer Anordnung ein oder mehrerer pneumatischer Federungszylinder.
Indem als zusätzlicher Regelparameter der linearen Funktion die Wagenkasten-Verfahrbeschleunigung einbezogen ist, wird eine weiter erhöhte Dynamik und Sensibilität des Ansprechverhaltens der Ventilanordnung erreicht. Die Wagenkasten-Verfahrbeschleunigung entspricht der zeitlichen Veränderung der Wagenkasten-Verfahrgeschwindigkeit und ist innerhalb der linearen Regelungsfunktion beispielsweise als weiterer Differentialquotient entsprechend der zeitlichen Veränderung der Wagenkasten-Verfahrgeschwindigkeit und mithin als weiterer Differentialanteil berücksichtigbar.
Eine Flexibilisierung des Regelungsverhaltens der Ventilanordnung wird erreicht, indem die Dynamik der Regelungsfunktion durch eine geänderte Parametrierung einzelner Regelparameter oder das Setzen eines Modifikationsfaktors für die Regelungswirkung, die Stellgröße oder den erfassten Ist-Abstand wählbar, vorgebbar oder einstellbar ist. Die geänderte Parametrierung erfolgt beispielsweise durch das Setzen eines abweichenden Soll-Abstands oder das Setzen oder Verändern von Beiwerten für einzelne oder mehrere Regelparameter, also den Soll-Abstand, die Regelabweichung, und/oder die Wagenkasten-Verfahrgeschwindigkeit und/oder die Wagenkasten-Verfahrbeschleunigung. Gleichfalls ist die Dynamik der Regelungswirkung alternativ durch das das Setzen eines globalen Modifikationsfaktors für die Regelungswirkung, die zu generierende Stellgröße oder den erfassten Ist-Abstand wählbar, vorgebbar oder einstellbar. Der Modifikationsfaktor kann hierbei dämpfend oder verstärkend gewählt sein, so dass die die Zieldynamik der Regelung prozentual abgesenkt oder erhöht wird.
Eine Flexibilisierung des Regelungsverhaltens der Ventilanordnung wird ebenfalls erreicht oder weiter erhöht, indem die Dynamik der Regelungsfunktion durch eine intensitäts- und/oder zeitbezogene Filterung des Ist-Abstands oder der Regelabweichung wählbar, vorgebbar oder einstellbar ist. Eine solche Filterung eliminiert beispielsweise sämtliche Ist-Abstände oder Regelabweichungen unterhalb einer definierbaren Größe. Die Regelung spricht in diesem Fall nur ab einem bestimmbaren Ist-Abstand oder einer bestimmbaren Regelabweichung an. Alternativ oder kumulativ kann die Filterung als zeitliche Filterung ausgestaltet sein, bei der Ist-Abstände oder Regelabweichungen erst ab einer bestimmbaren zeitlichen Dauer zu einer Regelungsaktivität führen. Die Regelung spricht in diesem Fall nur auf Veränderungen der Ist-Abstände oder Regelabweichungen mit einer bestimmten zeitlichen Dauer an, wodurch beispielsweise lediglich kurzzeitig auftretende Störgrößen (zum Beispiel kurzfristige Stöße im Fahrtbetrieb) ausgefiltert werden. Beide Filterungsvarianten sind auch miteinander kombinierbar, so dass die Regelung erst ab einem Ist-Abstand oder einer Regelabweichung mit einer bestimmbaren Größe und einer bestimmbaren zeitlichen Dauer anspricht.
Indem die Dynamik der Regelungsfunktionen oder die Filterung anhand der Betriebsart oder der Fahrtgeschwindigkeit des Schienenfahrzeugs wählbar, vorgebbar oder einstellbar ist, wird eine einfache automatisierte Zuweisung unterschiedlicher Regelungsdynamiken zu unterschiedlichen Betriebsarten ermöglicht. So ist beispielsweise ein unterschiedlicher Soll-Abstand für den Standbetrieb und den Fahrtbetrieb automatisiert vorgebbar. Ferner ist eine erhöhte Regelungsdynamik zum Ausgleich von Beladungsänderungen im Standbetrieb und ein trägeres Regelungsverhalten mit einem reduzierten Luftverbrauch im Fahrtbetrieb einfach automatisierbar.
In einer konstruktiv vorteilhaften Ausgestaltung der Ventilanordnung ist das Proportional-Wegeventil ein 3-Wege-Proportionalventil, welches eine Entlüftungsstellung und eine Beaufschlagungsstellung mit jeweils kontinuierlich veränderbaren Öffnungsquerschnitten sowie eine Sperrstellung aufweist. Mit einem derartigen Wegeventil lassen sich sämtliche sinnvollen pneumatischen Regelungsfunktion einfach und effektiv abbilden, nämlich eine geregelte Beaufschlagung der Luftfederungseinrichtung, eine geregelte Entlüftung der Luftfederungseinrichtung und schließlich auch eine Absperrung des Luftaustausch in einem bestimmten Beaufschlagungszustand der Luftfederungs-einrichtung, zum Beispiel zur Reduzierung des Luftverbrauchs im Fahrtbetrieb. Bei einer Absperrung des Luftaustauschs im Fahrbetrieb wird die aktuelle Beaufschlagung der Luftfederungseinrichtung mit einem bestimmbaren Druck "eingefroren" und diese auf ihre passiven Federungseigenschaften beschränkt.
Bei der Verwendung eines Proportional-Wegeventils oder eines 3-Wege-Proportionalventils, welches in seiner Ruhestellung und damit auch im stromlosen Zustand eine Öffnungsstellung einnimmt und die mit ihm verbundene Luftfederungseinrichtung entlüftet, kann zur Gewährleistung der Betriebssicherheit eine so genannte "failsafe"-Funktion gewünscht sein, um zu verhindern, dass das System im Falle eines Stromausfalls entlüftet. Zur Realisierung einer solchen failsafe-Funktion ist dem Entlüftungsanschluss des Proportional-Wegeventils oder des 3-Wege-Proportionalventils ein elektronisch steuerbares Schaltmittel nachgeordnet, welches im stromlosen Zustand eine Sperrstellung und im betätigten Zustand eine Öffnungsstellung einnimmt. Damit ist ungewollte Entlüftung des Ventils und damit auch des Gesamtsystems im stromlosen Zustand sicher verhindert. Ein solches Schaltmittel kann etwa ein 2/2-Schaltventil sein.
Ferner kann zur weiteren Erhöhung der Betriebssicherheit eine ausfallsichere Überdruckentlastung gewünscht sein. Hierzu ist ein Arbeitsanschluss des Proportional-Wegeventils oder des 3-Wege-Proportionalventils über eine Verbindungsleitung mit einem kombinierten Beschaufschlagungs-/Entlüftungsanschluss mindestens einer Luftfederungseinrichtung verbunden und mit der Verbindungsleitung gleichzeitig ein mechanisch über einen Hebel und ein mit dem Wagenkasten und dem Fahrwerk verbundenes Messgestänge betätigbares Schaltmittel angeordnet, welches in seiner Ruhestellung eine Sperrstellung einnimmt und welches ab einer einen bestimmbaren Ist-Abstand repräsentierenden Hebelstellung in eine Öffnungsstellung schaltet, wobei es die Verbindungsleitung mit einem Entlüftungsausgang verbindet.
Zur Verbindung mit externen elektronischen Steuerungssystemen, beispielsweise einer übergeordneten Zugsteuerung, ist die Regelungseinrichtung mit mindestens einer, zu wenigstens einem industriellen Protokollstandard kompatiblen Datenkommunikationsschnittstelle ausgebildet. Dies kann beispielsweise eine zu den Industriestandards Profibus, DeviceNet / ControlNet oder CANopen kompatible drahtgebundene Feldbus-Schnittstelle oder eine zu den Industriestandards Profinet, EtherNet/IP, Ethernet Powerlink oder EtherCat kompatible drahtgebundene Netzwerkschnittstelle (Industrial Ethernet) sein. Eine solche Datenkommunikationsschnittstelle kann gleichzeitig zu mehreren Protokollstandards (Datenübertragungsprotokolle) kompatibel ausgestaltet sein. Die Datenkommunikationsschnittstelle kann ferner als drahtlose Datenkommunikationsschnittstelle, etwa als Industrial WLAN-Schnittstelle (IWLAN), ausgestaltet sein.
Zur funktionalen Integration in externe elektronische Steuerungssysteme, beispielsweise eine übergeordnete Zugsteuerung, ist die Regelungseinrichtung programmtechnisch eingerichtet zur Parametrierung oder zur Wahl, Vorgabe oder Einstellung der Dynamik der Regelungsfunktion oder der Filterung über die Datenkommunikationsschnittstelle. Dies ermöglicht zum einen die Femparametrierung oder Ferneinstellung der Regelungsdynamik über eine übergeordnete Zugsteuerung. Ferner ermöglicht dies die funktionale Einbindung der Ventilanordnung eine übergeordnete Zugsteuerung, indem die Regelungseinrichtung über die Datenkommunikationsschnittstelle die Information über die aktuelle Betriebsart (Fahrtbetrieb/Standbetrieb) erhält und die Regelungsdynamik entsprechend einstellt. Schließlich ermöglicht dies auch Eingriffe in die Regelungsdynamik zur Laufzeit durch die übergeordnete Zugsteuerung, indem der Regelungseinrichtung zur Laufzeit beispielsweise eine geänderte Parametrierung oder Dynamik der Regelungsfunktion oder Filterung vorgeben wird.
Eine weitere Sicherheitsfunktion ist gegeben, indem das Proportional-Wegeventil oder 3/3-Wege-Proportionalventil mit einem Sensormittel zur Erfassung des Ventilausgangsdrucks ausgebildet und die Regelungseinrichtung programmtechnisch eingerichtet ist zur Ermittlung eines definierbaren Druckabfalls und zur Generierung eines Fehlersignals und dessen Übermittlung über die Datenkommunikationsschnittstelle. Ein Defekt der Luftfederungseinrichtung (zum Beispiel eine Leckage oder das Platzen eines Luftfederbalgs) hat einen Druckabfall auf der Arbeitsseite des Proportional-Wegeventils oder 3-Wege-Proportionalventils zur Folge. Dieser lässt sich mit einem in das Ventil integrierten Sensormittel zur Erfassung des Ventilausgangsdrucks detektieren. In diesem Fall generiert die Regelungseinrichtung ein Fehlersignal und übermittelt dies über die Datenkommunikationsschnittstelle beispielsweise an eine übergeordnete Zugsteuerung, wodurch der Fahrzeugführer oder eine Leitstelle über den Defekt automatisch informiert werden.
Einen weiteren Kern der Erfindung bildet ein Verfahren zur Regelung des Luftfederungsniveaus eines Schienenfahrzeugs mit einem Proportional-Wegeventil, einem Sensormittel zur kontinuierlichen Erfassung einer den Abstand des Wagenkastens vom einem Fahr- oder Drehgestell repräsentierenden Abstandsgröße und einer digitalen Regelungseinrichtung, wobei mittels der Regelungseinrichtung anhand eines Vergleichs der vom Sensormittel erfassten Ist-Abstände mit einem vorgebbaren Soll-Abstand eine Regelabweichung ermittelt und kontinuierlich eine Stellgröße als lineare Funktion der ermittelten Regelabweichung und der Wagenkasten-Verfahrgeschwindigkeit generiert wird. Mit dem Verfahren ist eine hocheffektive und schnelle Ausregelung der durch Beladungsänderungen eines Wagons hervorgerufenen Änderungen des Niveaus der Luftfederung, d.h. der relativen Höhenlage des Wagenkastens relativ zum Fahrwerkrahmen oder Drehgestell gewährleistet, ohne dass es hierzu einer aufwendigen Parametrierung bedarf.
Eine Erhöhung der möglichen Dynamik und Sensibilität des Ansprechverhaltens des Regelungsverfahrens wird erreicht, indem als zusätzlicher Regelparameter der linearen Funktion die Wagenkasten-Verfahrbeschleunigung einbezogen ist.
Eine Flexibilisierung des Regelungsverhaltens wird erreicht, indem die Dynamik der Regelungsfunktion durch eine geänderte Parametrierung einzelner Regelparameter oder das Setzen eines Modifikationsfaktors für die Regelungswirkung, die Stellgröße oder den Ist-Abstand wählbar, vorgebbar oder einstellbar ist.
Eine weitere Flexibilisierung des Regelungsverhaltens wird erreicht, indem die Dynamik der Regelungsfunktion durch eine intensitäts- und/oder zeitbezogene Filterung des Ist-Abstands oder der Regelabweichung wählbar, vorgebbar oder einstellbar ist.
Eine einfache automatisierte Zuweisung unterschiedlicher Regelungsdynamiken zu unterschiedlichen Betriebsarten wird ermöglicht, indem die Dynamik der Regelungsfunktionen und/oder die Filterung anhand der Betriebsart oder der Fahrtgeschwindigkeit des Schienenfahrzeugs wählbar, vorgebbar oder einstellbar ist oder sind.
Weitere Vorteile der Erfindung sind nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1: eine schematische Rückansicht eines Teilbereichs eines Schienenfahrzeugs mit einer Luftfederung und einer Ventilanordnung;
Fig. 2: ein schematisches Schaltbild einer Ventilanordnung gemäß Fig. 1 zur Regelung des Luftfederungsniveaus eines Schienenfahrzeugs;
Fig. 3: Fig. 2 ein Diagramm mit einem Kennfeld des Regelungsverhaltens der Ventilanordnung.

Fig. 1 zeigt einen Teilbereich eines Schienenfahrzeugs in einer schematischen rückwärtigen Ansicht. Die Ventilanordnung 1 ist im unteren Bereich eines Wagenkastens 2 angeordnet. Sie ist mechanisch über den Hebel 3 und das Messgestänge 4 mit dem Fahrwerkrahmen 5 verbunden. Der Fahrwerkrahmen 5 kann hierbei auch als Drehgestell ausgeführt sein. Zwischen dem Fahrwerkrahmen 5 und dem Wagenkasten 2 ist als Sekundärfederung eine Luftfederungseinrichtung angeordnet, die durch die beiden Luftfederbälge 6 und 6' gebildet ist. Der jeweils aktuelle Hub h der Sekundärfederung 6 ist damit identisch dem jeweiligen Abstand des Wagenkastens 2 vom Fahrwerkrahmen 5. Alternativ kann die Sekundärfederung hierbei auch als ein einziger Federbalg ausgebildet sein. Unterhalb des Fahrwerkrahmens 5 ist die Primärfederung 7 angeordnet, durch welche die Radachse 8 und die beiden Räder 9 und 9' federnd gegenüber dem Fahrwerk 5 gelagert sind. Der jeweils aktuelle Hub h der Sekundärfederung 6 ist abhängig von der jeweils aktuellen Beladung des Wagenkastens 2 und ist durch die jeweilige Stellung des Messgestänges 4 und des mit diesem verbundenen Hebels 3 mechanisch repräsentiert.
Fig. 2 zeigt ein schematisches Schaltbild der Ventilanordnung 1 mit dem Hebel 3 und dem in Fig. 2 lediglich angeschnitten dargestellten Messgestänge 4 sowie den Luftfederbälgen 6 und 6'. Die Komponenten der Ventilanordnung 1 sind in einem gemeinsamen - durch eine gestrichelte Umrahmung symbolisierten - Gehäuse ausgebildet. Das Messgestänge 4 ist über den Hebel 3 an diesem Gehäuse angelenkt. Zur Beaufschlagung und Entlüftung der beiden extern des Gehäuses der Ventilanordnung 1 angeordneten und über die Verbindungsleitung 10 mit dieser verbundenen Luftfederbälge 6 und 6' ist innerhalb der Verbindungsleitung 10 das 3/3-Wege-Proportionalventil 11 angeordnet. Das 3/3-Wege-Proportionalventil 11 ist über den Proportionalmagneten 12 entgegen der Federbelastung der mechanischen Rückstellfeder 13 ansteuerbar und verbindet die Luftfederbälge 6 und 6' über die Verbindungsleitung 10 jeweils mit veränderbaren Ventilöffnungsquerschnitten in einer Schaltstellung mit der Druckluftquelle 14 und in seiner Ausgangs- und Ruhestellung mit dem Entlüftungsausgang 15. Die Druckluftquelle 14 kann hierbei eine Druckluftpumpe, ein Kompressor oder beispielsweise auch ein zwischengeschalter Druckluftspeicher sein. Das 3/3-Wege-Proportionalventil 11 ist über den Proportionalmagneten 12 ferner in eine gesperrte Mittelstellung schaltbar, in der die Verbindungsleitung 10 vollständig abgesperrt ist. In seiner Ruhestellung im stromlosen Zustand ist das 3/3-Wege-Proportionalventil 11 vollständig in seine Entlüftungsstellung geschaltet, in der die Verbindungsleitung 10 ungedrosselt mit dem Entlüftungsausgang 15 verbunden ist. Die elektronische Ansteuerung des Proportionalmagneten 12 erfolgt über eine Regelungseinrichtung, die als Mikrocontroller 16 in die Ventilanordnung 1 integriert ist. Der Mikrocontroller 16 ist als "single-board computer (SBC)" ausgebildet, bei dem sämtliche zum Betrieb nötigen elektronischen Komponenten (CPU, Speicher, Ein- und Ausgabeschnittstellen, A/D-Wandler, DMA-Controller, usw.) auf einer einzigen Leiterplatte zusammengefasst sind. Der Mikrocontroller 16 erhält vom Winkelsensor 17 ein kontinuierliches elektrisches Signal, das den jeweils aktuellen Abstand h des Wagenkastens 2 vom Fahrwerkrahmen 5 repräsentiert. Der Winkelsensor 17 ist hierzu mechanisch mit dem Hebel 3 verbunden und erfasst über dessen jeweilige Stellung den jeweils aktuellen Ist-Abstand. Der Mikrocontroller 16 ist programmtechnisch eingerichtet zur Ermittlung einer Regelabweichung e anhand des vom Winkelsensor jeweils erfassten und übermittelten Ist-Abstandsdurch dessen Vergleich mit einem vorgebbaren Soll-Abstand und zur kontinuierlichen Generierung von Stellgrößen u für die Betätigung des Proportionalmagneten 12 des 3/3-Wege-Proportionalventils 11 als lineare Funktion der ermittelten Regelabweichung e und der anhand der zeitlichen Veränderung des Ist-Abstands ableitbaren Wagenkasten-Verfahrgeschwindigkeit ẋ. Ist der zur Laufzeit vorgegebene Soll-Abstand zeitlich konstant, ist die Wagenkasten-Verfahrgeschwindigkeit auch unmittelbar anhand der zeitlichen Veränderung der ermittelten Regelabweichung e ableitbar. Als weiterer Regelparameter kann zusätzlich die anhand der zeitlichen Veränderung der Wagenkasten-Verfahrgeschwindigkeit x ableitbaren Wagenkasten-Beschleunigung ẍ berücksichtigt sein. Hierbei kann jeder Regelungsparameter über Beiwerte k ₁ , k ₂ , k ₃ parametrierbar ausgebildet sein, so dass gilt u = f (k ₁ e, k ₂ ẋ, k ₃ ẍ).
Die Ventilanordnung 1 umfasst ferner das elektrisch betätigbare Schaltventil 18. Das Schaltventil 18 ist über den Schaltmagneten 19 entgegen der Federbelastung durch die mechanische Rückstellfeder 20 schaltbar und verbindet den Entlüftungsanschluss 21 des 3/3-Wege-Proportionalventils 11 in seinem Schaltzustand mit dem Entlüftungsausgang 15 und sperrt den Entlüftungsausgang 21 in seiner unbestromten Ausgangs- und Ruhestellung ab ("normal closed" = NC). Im normalen Betrieb ist das Schaltventil 18 über den Mikrocontroller 16 geöffnet geschaltet. Im Falle eines Stromausfalls sperrt das Schaltventil 18 selbsttätig und verhindert so die Entlüftung des 3/3-Wege-Proportionalventils 11 und damit auch des Gesamtsystems (mithin auch der Luftfederbälge 6 und 6' und der Druckluftquelle 14, die beispielsweise auch ein zwischengeschalter Druckspeicher sein kann).
Schließlich umfasst die Ventilanordnung 1 das mechanisch betätigbare Absperrventil 22. Dieses Ventil ist in seinem Ruhezustand geschlossen, jedoch über eine mechanische Betätigung über den Hebel 3 ab einer einen bestimmten Hub h repräsentierenden Hebelstellung in eine Öffnungsstellung schaltend, wobei es die Verbindungsleitung 10 mit dem Entlüftungsausgang 15 verbindet.
Der Microcontroller 16 ist mit einer Datenkommunikationsschnittstelle 23 ausgebildet. Die Datenkommunikationsstelle 23 dient der Datenverbindung mit einer übergeordneten Zugsteuerung (in Fig. 2 nicht abgebildet) über die Datenkommunikationsleitung 24. Die Datenkommunikationsschnittstelle 23 ist hierzu je nach Bedarf beispielsweise als Feldbus-Schnittstelle (beispielsweise kompatibel zu Profibus, DeviceNet / ControlNet oder CANopen) oder als Industrial Ethernet-Schnittstelle (beispielsweise kompatibel zu Profinet, EtherNet/IP, Ethernet Powerlink oder EtherCat) ausgestaltet. Sie kann gleichzeitig zu mehreren Protokollstandards kompatibel ausgestaltet sein. Durch die Datenkommunikationsschnittstelle 23 ist der Mikrocontroller 16 in eine übergeordnete Zugsteuerung integrierbar, indem beispielsweise die Parametrierung oder Einstellung der Dynamik der Regelungsfunktion oder der Filterung für die programmtechnische Einrichtung des Mikrocontrollers 16 durch die übergeordnete Zugsteuerung wählbar, vorgebbar oder einstellbar sind. Umgekehrt kann der Mikrocontroller 16 auch programmtechnisch dazu eingerichtet sein, Prozesswerte an die übergeordnete Zugsteuerung zu melden, wie beispielsweise den Ist-Abstand.
Das Regelungsverhalten einer beispielhaften linearen Regelungsfunktion zur Ermittlung der Stellgröße durch den entsprechend programmtechnisch eingerichteten Mikrocontroller 16 ist in Fig. 3 als Kennfläche 25 abgebildet. Hierbei stellt die Kennfläche 25 den Regelungsraum für die Stellgrößenwerte u in Abhängigkeit von ermittelten Regelabweichungswerten e als Proportionalglied und Wagenkasten-Verfahrgeschwindigkeitswerten ẋ (dx) als Differentialglied der beispielhaften linearen Regelungsfunktion dar.

Bezugszeichenliste

1: Ventilanordnung
2: Wagenkasten
3: Hebel
4: Messgestänge
5: Fahrwerkrahmen
6, 6': Luftfederbalg
7: Primärfederung
8: Radachse
9,9': Rad
10: Verbindungsleitung
11: 3/3-Wege-Proportionalventil
12: Proportionalmagnet
13,20: Rückstellfeder
14: Druckluftquelle
15: Entlüftungsausgang
16: Mikrocontroller
17: Winkelsensor
18: Schaltventil
19: Schaltmagnet
21: Entlüftungsanschluss
22: Absperrventil
23: Datenkommunikationsschnittstelle
24: Datenkommunikationsleitung
25: Kennfläche

Claims

Ventilanordnung (1) zur Regelung des Luftfederungsniveaus eines Schienenfahrzeugs, umfassend ein Proportional-Wegeventil, ein Sensormittel zur kontinuierlichen Erfassung einer den Abstand eines Wagenkastens (2) von einem Fahr- oder Drehgestell des Schienenfahrzeugs repräsentierenden Abstandsgröße und eine digitale Regelungseinrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelungseinrichtung programmtechnisch eingerichtet ist zur Ermittlung einer Regelabweichung anhand des vom Sensormittel erfassten Ist-Abstands und einen Vergleich mit einem vorgebbaren Soll-Abstand und zur kontinuierlichen Generierung von Stellgrößen als lineare Funktion der ermittelten Regelabweichung und der Wagenkasten-Verfahrgeschwindigkeit.
Ventilanordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als zusätzlicher Regelparameter der linearen Funktion die Wagenkasten-Verfahrbeschleunigung einbezogen ist.
Ventilanordnung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dynamik der Regelungsfunktion durch eine geänderte Parametrierung einzelner Regelparameter oder das Setzen eines Modifikationsfaktors für die Regelungswirkung, die Stellgröße oder den Ist-Abstand wählbar, vorgebbar oder einstellbar ist.
Ventilanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dynamik der Regelungsfunktion durch eine intensitäts- und/oder zeitbezogene Filterung des Ist-Abstands oder der Regelabweichung wählbar, vorgebbar oder einstellbar ist.
Ventilanordnung (1) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dynamik der Regelungsfunktionen oder die Filterung anhand der Betriebsart oder der Fahrtgeschwindigkeit des Schienenfahrzeugs wählbar, vorgebbar oder einstellbar ist oder sind.
Ventilanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Proportional-Wegeventil ein 3-Wege-Proportionalventil ist, welches eine Entlüftungsstellung und eine Beaufschlagungsstellung mit jeweils kontinuierlich veränderbaren Öffnungsquerschnitten sowie eine Sperrstellung aufweist.
Ventilanordnung (1) nach einem der Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Proportional-Wegeventil oder das 3-Wege-Proportionalventil im stromlosen Zustand eine Entlüftungsstellung einnimmt und seinem Entlüftungsanschluss ein elektronisch steuerbares Schaltmittel nachgeordnet ist, welches im stromlosen Zustand eine Sperrstellung und in Betätigungsstellung eine Öffnungsstellung einnimmt.
Ventilanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Arbeitsanschluss des Proportional-Wegeventils oder des 3-Wege-Proportionalventils über eine Verbindungsleitung mit einem kombinierten Beschaufschlagungs-/Entlüftungsanschluss mindestens einer Luftfederungseinrichtung verbunden ist und mit der Verbindungsleitung ein mechanisch über einen Hebel und ein mit dem Wagenkasten und dem Fahrwerk verbundenes Messgestänge betätigbares Schaltmittel angeordnet ist, welches in seiner Ruhestellung eine Sperrstellung einnimmt und welches ab einer einen bestimmbaren Ist-Abstand repräsentierenden Hebelstellung in eine Öffnungsstellung schaltet, wobei es die Verbindungsleitung mit einem Entlüftungsausgang verbindet.
Ventilanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelungseinrichtung mit mindestens einer, zu wenigstens einem industriellen Protokollstandard kompatiblen Datenkommunikationsschnittstelle ausgebildet ist.
Ventilanordnung (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 5 und Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelungseinrichtung programmtechnisch eingerichtet ist zur Parametrierung oder zur Wahl, Vorgabe oder Einstellung der Dynamik der Regelungsfunktion oder der Filterung über die Datenkommunikationsschnittstelle.
Ventilanordnung (1) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Proportional-Wegeventil oder des 3-Wege-Proportionalventil mit einem Sensormittel zur Erfassung des Ventilausgangsdrucks ausgebildet und die Regelungseinrichtung programmtechnisch eingerichtet ist zur Ermittlung eines definierbaren Druckabfalls und zur Generierung eines Fehlersignals und dessen Übermittlung über die Datenkommunikationsschnittstelle.
Verfahren zur Regelung des Luftfederungsniveaus eines Schienenfahrzeugs mit einem Proportional-Wegeventil, einem Sensormittel zur kontinuierlichen Erfassung einer den Abstand des Wagenkastens (2) vom einem Fahr- oder Drehgestell repräsentierenden Abstandsgröße und einer digitalen Regelungseinrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Regelungseinrichtung anhand eines Vergleichs der vom Sensormittel erfassten Ist-Abstände mit einem vorgebbaren Soll-Abstand eine Regelabweichung ermittelt und kontinuierlich eine Stellgröße als lineare Funktion der ermittelten Regelabweichung und der Wagenkasten-Verfahrgeschwindigkeit generiert wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass als zusätzlicher Regelparameter der linearen Funktion die Wagenkasten-Verfahrbeschleunigung einbezogen ist.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Dynamik der Regelungsfunktion durch eine geänderte Parametrierung einzelner Regelparameter oder das Setzen eines Modifikationsfaktors für die Regelungswirkung, die Stellgröße oder den Ist-Abstand wählbar, vorgebbar oder einstellbar ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Dynamik der Regelungsfunktion durch eine intensitäts- und/oder zeitbezogene Filterung des Ist-Abstands oder der Regelabweichung wählbar, vorgebbar oder einstellbar ist.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Dynamik der Regelungsfunktionen und/oder die Filterung anhand der Betriebsart oder der Fahrtgeschwindigkeit des Schienenfahrzeugs wählbar, vorgebbar oder einstellbar ist oder sind.