WO1998042557A2 - Schienenfahrzeug mit knickgelenk - Google Patents

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WO1998042557A2
WO1998042557A2 PCT/EP1998/001590 EP9801590W WO9842557A2 WO 1998042557 A2 WO1998042557 A2 WO 1998042557A2 EP 9801590 W EP9801590 W EP 9801590W WO 9842557 A2 WO9842557 A2 WO 9842557A2
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angle
bogie
articulation
rotation
articulated joint
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PCT/EP1998/001590
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WO1998042557A3 (de
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Andreas Strasser
Ulrich Hachmann
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Daimlerchrysler Ag
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Priority to AT98917003T priority patent/ATE207831T1/de
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    • B61—RAILWAYS
    • B61D—BODY DETAILS OR KINDS OF RAILWAY VEHICLES
    • B61D3/00—Wagons or vans
    • B61D3/10—Articulated vehicles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61F—RAIL VEHICLE SUSPENSIONS, e.g. UNDERFRAMES, BOGIES OR ARRANGEMENTS OF WHEEL AXLES; RAIL VEHICLES FOR USE ON TRACKS OF DIFFERENT WIDTH; PREVENTING DERAILING OF RAIL VEHICLES; WHEEL GUARDS, OBSTRUCTION REMOVERS OR THE LIKE FOR RAIL VEHICLES
    • B61F5/00—Constructional details of bogies; Connections between bogies and vehicle underframes; Arrangements or devices for adjusting or allowing self-adjustment of wheel axles or bogies when rounding curves
    • B61F5/38—Arrangements or devices for adjusting or allowing self- adjustment of wheel axles or bogies when rounding curves, e.g. sliding axles, swinging axles
    • B61F5/386—Arrangements or devices for adjusting or allowing self- adjustment of wheel axles or bogies when rounding curves, e.g. sliding axles, swinging axles fluid actuated
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61F—RAIL VEHICLE SUSPENSIONS, e.g. UNDERFRAMES, BOGIES OR ARRANGEMENTS OF WHEEL AXLES; RAIL VEHICLES FOR USE ON TRACKS OF DIFFERENT WIDTH; PREVENTING DERAILING OF RAIL VEHICLES; WHEEL GUARDS, OBSTRUCTION REMOVERS OR THE LIKE FOR RAIL VEHICLES
    • B61F5/00—Constructional details of bogies; Connections between bogies and vehicle underframes; Arrangements or devices for adjusting or allowing self-adjustment of wheel axles or bogies when rounding curves
    • B61F5/38—Arrangements or devices for adjusting or allowing self- adjustment of wheel axles or bogies when rounding curves, e.g. sliding axles, swinging axles
    • B61F5/44—Adjustment controlled by movements of vehicle body
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T30/00—Transportation of goods or passengers via railways, e.g. energy recovery or reducing air resistance

Definitions

  • the invention relates to a rail vehicle according to the preamble of the first claim and a method for controlling the articulation angle in such a rail vehicle.
  • a known rail vehicle of this type (DE 2854776 AI) is designed in particular as a tram train and consists of two car bodies, each of which is supported on a biaxial bogie arranged approximately in the center of the car length.
  • the two car bodies are coupled at their mutually facing ends via an articulated joint, the only pivot axis of which is perpendicular.
  • the angle of rotation between the respective bogie and the associated car body is determined by means of a control mechanism with a coupled distance sensor and the articulation angle via at least one distance sensor assigned to the articulated joint.
  • the signals generated by the distance sensors are fed to a control unit which controls an actuator arranged asymmetrically or two symmetrically to the articulated joint.
  • the articulation angle of the articulated joint is influenced in such a way that the biaxial, pivotless bogies on which the car bodies are supported by elastic secondary springs are to be completely relieved of the function of the power donor.
  • the actuator arrangement blocks the articulated joint when driving straight ahead in a position above the middle of the track line and forces the articulated joint to buckle to the outside of the curve of the track line when traveling through bends in order to achieve improved use of the clearance when the rail vehicle is cornering.
  • the object of the invention is to provide a generic rail vehicle and a method for controlling the same, by means of which the car bodies are controlled relative to one another during dynamic travel in a position which corresponds to the static position in the current track section.
  • the current articulation angle of the articulated joint and on the other hand the torsion angle between the bogies and the associated car bodies are determined.
  • the current actual values of these angles are added according to the sign, the angle of rotation between the first bogie in the direction of travel and the associated car body being negated.
  • the total result of this addition is the measure for the set buckling angle that the joint is to assume under the current operating conditions. As long as the sum of the current twist angle deviates from the current articulation angle on a straight track, the buckling of the articulated joint is counteracted by mechanical actuators.
  • actuators can act directly on the articulation, but actuators can also be provided between the bogie and the associated weighing box, which inevitably influence the articulation angle of the articulation by changing the actual value of the angle of rotation.
  • actuators assigned to the articulated joint as well as to the bogies / car bodies are used.
  • the actuators can be controlled damping elements that counteract a change in the angle of rotation as long as the forces acting from the outside cause an actual value change that runs away from the target value. If, on the other hand, it is found that the actual value is moving towards the setpoint, the damping effect of the damping elements is canceled.
  • Traction instructions are either issued to a central control unit or to the driver of the rail vehicle, after which, for example, the trailing bogie is braked or the leading carriage is accelerated if the kink is too strong
  • the actuators can be active actuating elements which not only counteract actual value changes running away from the target value, but also bring the actual value back to the target value in the absence of external restoring forces.
  • a sign definition is expediently defined, in which, for. B. is assumed from the value zero if the longitudinal axis of the respective bogie is parallel to the longitudinal axis of the associated car body and the car body longitudinal axes are in alignment. Accordingly, positive angles of rotation occur when the
  • the longitudinal axis of the car body is rotated clockwise relative to the associated longitudinal axis of the bogie. Negative torsion angles are therefore measured when the longitudinal axis of the car body is rotated counterclockwise with respect to the longitudinal axis of the bogie. Negative values for the
  • Articulation angles occur when the leading car body bends counterclockwise in relation to the trailing car body. Accordingly, positive values of the articulation angle occur when the longitudinal axis of the first car body bends clockwise with respect to the longitudinal axis of the second car body.
  • a two-part rail vehicle with an articulated joint with a vertical axis of rotation between the two car bodies and elastic return elements between the car body and the respective bogie takes up the least space in the static rest position. For this condition, it was found that the angles of rotation when the train stopped on any real track route are approximately the same.
  • the articulation angle can be controlled in such a way that the current twist angle between the bogies and the associated wagon body as well as the current articulation angle at the articulated joint are repeatedly measured, taking into account the positive or negative sign of the angle, at least while driving.
  • Setpoint value for the articulation angle generates an actuating signal which, in the event of a deviation from the articulation angle actually measured at the articulation joint, controls a mechanical force component which counteracts the articulation angle deviation.
  • This force component acts directly on the articulation.
  • Deviations from the ideal articulation angle which corresponds to the minimum clearance requirement, can be caused by different traction forces on the bogies, in the case of unequal brakes, track errors, spinning of a drive wheel, when entering the straight line into a curved section of the curve due to the then effective dynamic inertia forces. occur in overrun or the like.
  • the angle of rotation is controlled to a setpoint value which corresponds to the arithmetic mean of the two angles of rotation currently measured in dynamic operation.
  • Fig.l a two-part rail vehicle with actuating and control means for detecting angles and for countermeasures
  • Fig. 2 the rail vehicle on a straight line with the longitudinal axes of the car body bent and one another
  • Fig.3 the rail vehicle in a track curve.
  • two car bodies 1, 2 are provided, each of which is supported on only one biaxial bogie 4 without bogie pins arranged approximately in the longitudinal center of the car body, via two elastic secondary spring elements 5.
  • the secondary spring elements 5 are in turn arranged on a line lying transverse to the longitudinal axis of the respective car body.
  • the secondary springs 5 additionally allow rotation about a virtual vertical axis and a limited transverse displacement. The respective car body 1, 2 can thereby rotate and move laterally in a parallel plane to the associated bogie 4.
  • a displacement of the bogie 4 in the longitudinal direction of the car body is prevented by at least one longitudinally arranged, pivotably articulated on the bogie 4 as on the car body 1,2 handlebar, each of the traction forces occurring in the longitudinal direction of the car body transfers between bogie 4 and body 1 or 2.
  • the secondary springs 5 thus allow the longitudinal axis of the bogie to be rotated with respect to the longitudinal axis of the associated car body by the angle AI or A2, which as a rule can be of different sizes on the individual cars during operation.
  • an angle of rotation sensor 6 is provided, which is coupled on the one hand to the associated car body 1, 2 and on the other hand to the associated bogie 4.
  • the angle of rotation sensors 6 generate actual angle of rotation signals V 1, V 2, which are fed as input signals to a control unit 7.
  • the angle of rotation encoder 6 produce one with aligned longitudinal axes of the bogie 4 and associated car body 1, 2
  • the car bodies 1, 2 are each connected to one another via a single articulated joint 8, which has a vertical joint axis.
  • An articulation angle sensor 9 is assigned to the articulated joint, which is in a line
  • Longitudinal axes of the car bodies 1, 2 generated an articulation angle signal that corresponds to the articulation angle zero degrees. If the longitudinal axis of the car body 2 pivots counterclockwise with respect to the longitudinal axis of the car body 1, an articulation angle signal is generated which corresponds to a positive articulation angle. If, on the other hand, the longitudinal axis of the second car body bends clockwise with respect to the longitudinal axis of the car body 1, an articulation angle signal corresponding to a negative articulation angle is generated.
  • the actual value signals K generated by the articulation angle sensor 9 are also fed to the control unit 7 as input signals.
  • controllable hydraulic actuator elements 10 are provided as actuators symmetrically to the articulation joint 8 between the mutually facing ends of the adjacent car bodies 1, 2, with which a force component can be generated between the adjacent car bodies 1, 2, which component corresponds to the associated one Control signal a functional enlargement or
  • the kink angle K is reduced. If, in addition to the kink angle K, at least one of the twist angles
  • Each actuator element 10 is equipped with an actuator control input AST, which is connected to corresponding actuator control outputs AST1 and AST2 of the control unit 7 are connected.
  • the actuator elements 11 also have control inputs S, which in turn are connected to corresponding control outputs S 1 to S 4 of the control unit 7.
  • the control inputs for the actuators 11 of a bogie 4 can be connected in parallel in order to prevent asymmetrical rotation of the bogie under the action of these actuators 11.
  • the rail vehicle takes the sum of these individual energies to a minimum value. When driving, this energy is changed due to additional dynamic forces. Accordingly, the clearance required by the entire rail vehicle in static operation is a minimum and reaches values during driving that can exceed the clearance required in static operation.
  • the control system operates in such a way that the car bodies 1, 2 in dynamic driving operation depend on the currently measured actual values of the twist angle A and the articulation angle K in a static state per se corresponding position can be controlled with the help of the actuators 10 and 11 if necessary.
  • a two-part rail vehicle stands on a straight track section 13.
  • the carriage 2 is in overrun operation, so that the articulated joint 8 and thus the longitudinal axles WKL 1 and WKL 2 are laterally deflected with respect to the bogie longitudinal axes DGL1 and DGL2 lying in alignment with the track section 13.
  • the angle of rotation sensor 6 on the leading carriage 1, 4 registers a positive angle of rotation AI, while the angle of rotation sensor 6 on the second carriage 2, 4 registers an equally large negative angle of rotation A2 after the longitudinal axis WKL2 in contrast to
  • WKL 1 body longitudinal axis is rotated counterclockwise with respect to the longitudinal axis 1 of the bogie.
  • the current articulation angle therefore assumes, by definition, a positive articulation angle value K-actual which, according to FIG. 1, corresponds to the sum of the absolute values of the rotation angles AI-actual and A2-actual.
  • the value for the articulated angle K-Soll is zero.
  • the actuator (s) 10 or 11 must therefore be controlled in such a way that the articulation angle is brought to the value zero, the longitudinal axes 1 and 2 of the body of the vehicle are therefore in alignment with the longitudinal axes 1 and 2 of the bogie and thus, with a straight track 13, also parallel to its longitudinal axis.
  • the actuators 10 are switched to high damping values, so that lateral deflection of the articulated joint is practically prevented.
  • the articulated joint is reset during operation, for example, automatically when the pushing operation of the carriage 2 ends or the carriage running ahead pulls or is braked less strongly.
  • the restoring forces of the secondary springs 5 support the turning back of the longitudinal axles of the car body into alignment with the longitudinal axles of the bogie, the damping effect of the actuators 10 can expediently be completely canceled if the actual measured articulated angle value K changes as a result of the articulation angle setpoint.
  • the actuators 11 between the bogie 4 and the associated car body 1 and / or 2 can also counteract a change running away from the target value by damping the rotation. If these damping measures are not sufficient, the control unit 7 can additionally
  • This setpoint angle value is obtained, taking into account parallel lines through the swivel joint 8 to the bogie longitudinal axes according to FIG. 3, as the sum of the absolute values of the actual angle value Kactual and the angle of rotation AI and A2.
  • the control unit 7 thus outputs control signals to the actuators 10, 11 in this case, which are an enlargement of the curvature angle currently measured cause. If the actual kink angle actual value is not increased by deceleration on the preceding carriage 1, 4 or acceleration of the second carriage 2, 4, active force components of the actuators 10 must bend the articulated joint to a greater extent or the actuators 11 reverse rotation
  • Carriage bodies opposite the bogies or both measures can be controlled at the same time. It should be noted that in practice, angle values in the size shown in FIG. 3 cannot occur, since the twist angle A is generally small and the curve of the track curve has a significantly larger radius than the dimensions of the bogie.
  • Articulation angle sensor 9 or the rotation angle sensor 6 are actually measured and output as in particular electrical actual value signals K or V and sent to the control unit 7 for further processing.
  • the actual value signals are compared in the control unit with the kink angle setpoint signal derived or calculated therefrom and, depending on this, the actuators 10 and 11 are controlled.
  • the actuators 10, 11 can be controlled in such a way that in the case of actual value signals which lag the setpoint value, the buckling or / or. Twisting forces between the associated car bodies or bogie and car body are supported so that the actual value signals approach the setpoint signals or that they are controlled in the opposite direction when the actual values overshoot the setpoint.
  • the actuators are only designed as damping elements, active support of the rotary movements to bring the actual values closer to the target values is not possible, but when the actual value has reached the target value and then runs away from the target value, the corresponding bodywork movement is damped. As soon as the actual value approaches the setpoint again, This damping is canceled so that the articulation angle can approach the target articulation angle as freely as possible. If the actual value moves too quickly towards the target value so that overshoot is to be expected, the actual value change is slowed down by switching on the damping effect shortly before the target value is reached.
  • the actuator arrangement 10, 11 preferably has two actuator elements arranged symmetrically to the articulated joint 9 and / or to the bogies 4. While the actuators 11 between bogie 4 and car body 1 or 2 each have to work in the same direction in order to achieve a symmetrical rotation with respect to the associated car body and therefore per bogie at a common output S 1 / S 2, S 3 / S 4 of the control unit 7 can be connected, the actuator elements 10 in the area of the respective articulated joint 9 must be controlled in the opposite sense in each case next to the articulated joint due to their arrangement in a horizontal plane. So when one actuator element 10 is stretched, the other must be controlled either ineffectively or in the sense of shortening the axial length.
  • the car body position with respect to one another thus achieves an assignment in dynamic driving operation that is largely similar to static operation.
  • the rail vehicle then only requires an at least approximately ideal clearance requirement in relation to the actual course of the track and adheres to it in particular if malfunctions in braking and / or drive elements or other influencing factors could lead to overrun operation with buckling of the coupling joint or tensile forces when traveling through bends the kink angle would make it too small.

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Abstract

Ein Schienenfahrzeug weist zwei über ein einachsiges Knickgelenk (8) gekuppelte Wagenkästen (1, 2) auf, die elastisch auf je einem etwa im Längsmittenbereich angeordneten zweiachsigen Drehgestell aufsitzen. Dabei sind Steuermittel zur Erfassung des Drehwinkels zwischen Wagenkasten (1, 2) und zugehörigem Drehgestell (4) sowie des Knickwinkels am Knickgelenk (8) und ferner steuerbare Stellglieder zur Beeinflussung des Knickwinkels abhängig von den Steuermitteln vorgesehen. Um den Lichtraumbedarf bei dynamischer Fahrt des Schienenfahrzeugs minimieren zu können, ist der Knickwinkel auf einen Sollwert gesteuert, der sich aus der Summe des aktuell gemessenen Knickwinkel-Istwerts (K-Ist) und der Verdrehwinkel A1 und A2 ergibt.

Description

Schienenfahrzeug mit Knickgelenk
Die Erfindung betrifft ein Schienenfahrzeug gemäß dem Oberbegriff des ersten Anspruchs sowie ein Verfahren zur Steuerung des Knickwinkels bei einem derartigen Schienenfahrzeug.
Ein bekanntes Schienenfahrzeug dieser Art (DE 2854776 AI) ist insbesondere als Straßenbahnzug ausgebildet und besteht aus zwei Wagenkästen, von welchem jeder auf einem etwa in Wagenlängsmitte angeordneten zweiachsigen Drehgestell abgestützt ist. Die beiden Wagenkästen sind an ihren aneinander zugewandten Enden über ein Knickgelenk gekuppelt, dessen einzige Schwenkachse senkrecht verläuft. Der Verdrehwinkel zwischen dem jeweiligen Drehgestell und dem zugehörigen Wagenkasten wird dabei mittels einer Steuermechanik mit angekuppeltem Wegstreckengeber und der Knickwinkel über mindestens einen dem Knickgelenk zugeordneten Wegstreckengeber ermittelt. Die von den Wegstreckengebern generierten Signale werden einer Steuereinheit zugeführt, welche ein asymmetrisch oder zwei symmetrisch zum Knickgelenk angeordnete Stellglieder steuert. Der Knickwinkel des Knickgelenks wird dabei so beeinflußt, daß die zweiachsigen, drehzapfenlosen Drehgestelle, auf welchen die Wagenkästen über elastische Sekundärfedern abgestützt sind, vollkommen von der Funktion des Kraftspenders befreit werden sollen.
Hierbei blockiert die Stellgliedanordnung das Knickgelenk bei Geradeausfahrt in einer Stellung über Gleistrassenmitte und erzwingt bei Bogenfahrt das Ausknicken des Knickgelenks zur Bogenausseite der Gleistrasse, um eine verbesserte Nutzung des Lichtraumes bei Kurvenfahrt des Schienenfahrzeugs zu erreichen. Aufgabe der Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Schienenfahrzeug und ein Verfahren zur Steuerung desselben anzugeben, durch welche die Wagenkästen bei dynamischer Fahrt jeweils in eine Stellung zueinander gesteuert werden, die der statischen Lage im aktuellen Gleisabschnitt entspricht.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß der Erfindung durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten bzw. vierten Anspruchs.
Bei einer Ausgestaltung eines Schienenfahrzeugs gemäß der Erfindung werden einerseits der aktuelle Knickwinkel des Knickgelenks und andererseits die Verdrehwinkel zwischen den Drehgestellen und den zugehörigen Wagenkästen ermittelt. Die aktuellen Istwerte dieser Winkel werden vorzeichengerecht addiert, wobei der Verdrehwinkel zwischen dem in Fahrtrichtung ersten Drehgestell und dem zugehörigen Wagenkasten negiert wird. Das Summenergebnis dieser Addition ist das Maß für den Soll-Knickwinkel, den das Gelenk unter den aktuellen Betriebsbedingungen einnehmen soll. Solange demnach z.B. auf geradem Gleis die Summe der aktuelln Verdrehwinkel vom aktuellen Knickwinkel abweicht, wird über mechanische Stellglieder der Ausknickung des Knickgelenks entgegengewirkt. Diese Stellglieder können unmittelbar auf das Knickgelenk einwirken, es können jedoch auch Stellglieder zwischen Drehgestell und zugehörigem Waqenkasten vorgesehen sein, die durch Verändern des Istwertes des Verdrehwinkels zwangsläufig den Knickwinkel des Knickgelenks beeinflussen. Vorzugsweise werden sowohl dem Knickgelenk als auch den Drehgestellen/Wagenkästen zugeordnete Stellglieder eingesetzt. Insbesondere kann es sich bei den Stellgliedern um gesteuerte Dämpfungselemente handeln, die einer Veränderung der Drehwinkel solange entgegenwirken, wie die von außen einwirkenden Kräfte eine vom Sollwert weglaufende Istwertänderung hervorrufen. Wird dagegen festgestellt, daß sich der Istwert auf den Sollwert zubewegt, wird die Dämpfungswirkung der Dämpfungselemente aufgehoben. Bewegt sich der Istwert zu schnell auf den Sollwert zu, sodaß ein Überschwingen zu erwarten ist, wird die Istwertänderung durch das Einschalten der Dämpfungswirkung kurz vor Erreichen des Sollwertes abgebremst. Im Falle einer bleibenden oder unverändert zunehmenden Soll-Ist-Abweichung trotz entgegenwirkender Dämpfungselemente, muß eine
Traktionsanweisung entweder an ein zentrales Steuergerät oder an den Fahrer des Schienenfahrzeugs ausgegeben werden, wonach beispielsweise bei einer zu starken Knickung das nachlaufende Drehgestell gebremst bzw. der vorlaufende Wagen beschleunigt wird
Weiterhin kann es sich bei den Stellgliedern um aktive Stellelemente handeln, die nicht nur vom Sollwert weglaufenden Istwertänderungen entgegenwirken, sondern auch im Falle fehlender äußerer Rückstellkräfte die Rückführung des Istwertes auf den Sollwert bewirken.
Bei der Messung der Verdrehwinkel und des Knickwinkels wird sinnvollerweise eine Vorzeichendefinition festgelegt, bei der z. B. jeweils vom Wert Null ausgegangen wird, wenn die Längsachse des jeweiligen Drehgestells parallel zur Längsachse des zugehörigen Wagenkastens steht und die Wagenkastenlängsachsen in einer Flucht liegen. Positive Verdrehwinkel treten demnach dann auf, wenn die
Wagenkastenlängsachse im Uhrzeigersinn gegenüber der zugehörigen Drehgestellängsachse verdreht ist. Negative Verdrehwinkel werden demnach dann gemessen, wenn die Wagenkastenlängsachse im Gegenuhrzeigersinn gegenüber der Drehgestellängsachse verdreht ist. Negative Werte für den
Knickwinkel treten auf, wenn der vorlaufende Wagenkasten im Gegenuhrzeigersinn gegenüber dem nachlaufenden Wagenkasten abknickt. Positive Werte des Knickwinkels treten demnach dann auf, wenn die Längsachse des ersten Wagenkastens im Uhrzeigersinn gegenüber der Längsachse des zweiten Wagenkastens abknickt. Ein zweigliedriges Schienenfahrzeug mit einem Knickgelenk mit einer senkrechten Drehachse zwischen den beiden Wagenkästen und elastischen Rückstellelementen zwischen Wagenkasten und jeweiligem Drehgestell beansprucht den geringsten Lichtraum in der statischen Ruhestellung. Für diesen Zustand wurde festgestellt, daß die Verdrehwinkel bei Stillstand des Zuges auf einer beliebigen realen Gleistrasse näherungsweise gleich sind. Bei einem so ausgestatteten Schienenfahrzeug kann zur Steuerung des Knickwinkels so verfahren werden, daß zunächst die aktuellen Verdrehwinkel zwischen den Drehgestellen und dem jeweils zugehörigen Wagenkasten sowie der aktuelle Knickwinkel am Knickgelenk unter Beachtung des positiven oder negativen Vorzeichens der Winkel zumindest während des Fahrbetriebes wiederholt gemessen werden. Durch Summenbildung dieser Winkelwerte wird im Steuergerät entsprechend dem
Sollwert für den Knickwinkel ein Stellsignal generiert, das bei Abweichung vom tatsächlich am Knickgelenk gemessenen Knickwinkel eine der Knickwinkelabweichung entgegenwirkende mechanische Kraftkomponente steuert. Diese Kraftkomponente wird unmittelbar am Knickgelenk wirksam. Abweichungen von dem idealen, dem minimalen Lichtraumbedarf entsprechenden Knickwinkel können im Betrieb durch unterschiedliche Traktions- kräfte an den Drehgestellen, bei ungleich wirkenden Bremsen, bei Gleisfehlern, Durchdrehen eines Antriebsrades, beim Einlauf aus der Geraden in ein gekrümmtes Bogenstück infolge der dann wirksamen dynamischen Trägheitskräfte, im Schubbetrieb oder dergleichen auftreten.
Werden zwei oder mehrere derart gesteuerte zweiteilige Züge mittels je einer Koppelstange aneinandergehängt, wobei die Koppelstangen jeweils über ein Gelenk am zweiten Wagen des vorlaufenden Zuges und am ersten Wagen des nachlaufenden Zuges angelenkt sind, dann werden alle gekoppelten Züge für sich nach dem gleichen Steuerprinzip betrieben.
Ferner kann es zweckmäßig sein, zumindest einen der Verdrehwinkel durch Stellglieder zu beeinflussen, um den beanspruchten Lichtraum zu minimieren. Dabei wird der Verdrehwinkel auf einen Sollwert hin gesteuert, der dem arithmetischen Mittelwert der aktuell im dynamischen Betrieb gemessenen beiden Verdrehwinkel entspricht.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand der Prinzipskizzen eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigen:
Fig.l: ein zweigliedriges Schienenfahrzeug mit Stell- und Steuermitteln zur Erfassung von Winkeln sowie zur Gegensteuerung,
Fig.2: das Schienenfahrzeug auf gerader Strecke bei geknickt zueinanderstehenden Wagenkastenlängsachsen und
Fig.3: das Schienenfahrzeug in einem Gleisbogen.
Bei einem Schienenfahrzeug sind zwei Wagenkästen 1, 2 vorgesehen, die jeder auf nur einem etwa in Wagenkastenlängsmitte angeordneten zweiachsigen drehzapfenlosen Drehgestell 4 über jeweils zwei elastische Sekundärfederelemente 5 auflagern. Die Sekundarederelemente 5 sind ihrerseits auf einer quer zur Längsachse des jeweiligen Wagenkastens liegenden Linie angeordnet. Die Sekundärfedern 5 lassen neben ihrer vertikalen Federeigenschaft zusätzlich eine Verdrehung um eine virtuelle vertikale Achse und eine begrenzte Querverschiebung zu. Der jeweilige Wagenkasten 1, 2 kann sich dadurch in einer parallelen Ebene zum zugehörigen Drehgestell 4 in begrenztem Maß verdrehen und seitlich verschieben. Dabei ist eine Verschiebung des Drehgestells 4 in Längsrichtung des Wagenkastens durch zumindest einen in Längsrichtung stehenden, schwenkbeweglich am Drehgestell 4 wie am Wagenkasten 1,2 angelenkten Lenker unterbunden, der jeweils die in Wagenkastenlängsrichtung auftretenden Traktionskräfte zwischen Drehgestell 4 und Wagenkasten 1 bzw. 2 überträgt. Die Sekundärfedern 5 ermöglichen somit ein Verdrehen der Längsachse des Drehgestells gegenüber der Längsachse des zugehörigen Wagenkastens um den Winkel AI bzw. A2 , die an den einzelnen Wagen im Betrieb in der Regel unterschiedlich groß sein können. Zur Erfassung dieser Winkel A ist jeweils ein Verdrehwinkelgeber 6 vorgesehen, der einerseits mit dem zugehörigen Wagenkasten 1, 2 und andererseits mit dem zugehörigen Drehgestell 4 gekoppelt ist. Die Verdrehwinkelgeber 6 erzeugen abhängig vom jeweiligen Verdrehwinkel A Verdrehwinkel- Istwertsignale V 1, V 2, die als Eingangssignale einer Steuereinheit 7 zugeführt werden .
Die Verdrehwinkelgeber 6 erzeugen bei fluchtenden Längsachsen von Drehgestell 4 und zugehörigem Wagenkasten 1 , 2 einen
Wert, der dem Verdrehwinkel A von null Grad entspricht. Dreht der Wagenkasten gegenüber dem Drehgestell im Uhrzeigersinn aus, wird ein Signal generiert, das einem positiven Verdrehwinkel entspricht; dreht der Wagenkasten gegenüber dem zugehörigen Drehgestell entgegen dem Uhrzeigersinn aus, wird ein Signal für einen entsprechenden negativen Winkelwert ausgegeben. Die Wagenkästen 1, 2 sind jeweils über ein einziges Knickgelenk 8 miteinander verbunden, das eine senkrechte Gelenkachse aufweist. Dem Knickgelenk ist ein Knick- winkelgeber 9 zugeordnet, der bei in einer Linie liegenden
Längsachsen der Wagenkästen 1, 2 ein Knickwinkelsignal generiert, das dem Knickwinkel null Grad entspricht. Schwenkt die Längsachse des Wagenkastens 2 gegenüber der Längsachse des Wagenkasten 1 im Gegenuhrzeigersinn, wird ein Knickwinkel- signal generiert, das einem positiven Knickwinkel entspricht. Knickt die Längsachse des zweiten Wagenkastens dagegen im Uhrzeigersinn gegenüber der Längsachse des Wagenkastens 1 ab, wird ein Knickwinkelsignal entsprechend einem negativen Knickwinkel erzeugt. Die vom Knickwinkelgeber 9 erzeugten Istwertsignale K werden ebenfalls als Eingangs-signale der Steuereinheit 7 zugeführt. In der Steuereinheit 7 wird der Sollwert für den Knickwinkel K dadurch ermittelt, das unter Beachtung der positiven oder negativen Vorzeichen der gemessenen Winkel eine Summenbildung der Istwerte der Verdrehwinkel AI und A2 sowie des Knickwinkels K durchgeführt wird entsprechend der Beziehung K soll= K ist + A2 - AI.
Das Ergebnis dieser Summation wird in ein Steuersignal umgesetzt, welches über mechanische Kräfte erzeugende Stellglieder auf das Knickgelenk 8 einwirken. Zur Beeinflussung des Knickwinkels K sind als Stellglieder symmetrisch zum Knickgelenk 8 zwischen den einander zugewandten Enden der benachbarten Wagenkästen 1, 2, angeordnete steuerbare hydraulische Aktorelemente 10 vorgesehen, mit welchen eine Kraftkomponente zwischen den benachbarten Wagenkästen 1, 2 erzeugt werden kann, welche entsprechend dem zugehörigen Steuersignal eine funktionsgerechte Vergrößerung oder
Verkleinerung des Knickwinkels K-ist bewirkt. Wenn außer dem Knickwinkel K auch zumindest einer der Verdrehwinkel
AI und/oder A2 gesteuert wird, dann wird aus den beiden aktuell gemessenen dynamischen Verdrehwinkelwerten der arithmetische Mittelwert gebildet und mittels zugehöriger Aktoren 11 der oder beide Verdrehwinkel am jeweiligen Drehgestell/Wagenkasten unter Beachtung der jeweils gewählten Vorzeichendefinition auf diesen Mittelwert hin gesteuert. Dabei wird davon ausgegangen, daß die beiden Verdrehwinkel AI und A2 bei Beanspruchung des minimalen Lichtraumes näherungsweise gleich groß sind. Die von den Aktoren 11 erzeugten Kraftkomponenten wirken jeweils der Abweichung entgegen. Diese Aktorelemente 11 stehen in symmetrischer Anordnung einerseits mit dem jeweiligen Drehgestell 4 und andererseits mit dem zugehörigen Wagenkasten 1, 2 in
Wirkverbindung, um eine Verdrehung derselben gegeneinander entspechend dem geforderten Knickwinkel durchführen zu können. Dabei reicht ggf. auch eine Aktoranordnung an nur einem Drehgestell.
Jedes Aktorelement 10 ist mit einem Aktor-Steuereingang AST ausgestattet, die an entsprechende Aktor-Steuerausgänge AST1 und AST2 der Steuereinheit 7 angeschlossen sind. Die Aktor- Elemente 11 weisen ebenfalls Steuereingänge S auf, die ihrerseits an entsprechende Steuerausgänge S 1 bis S 4 der Steuereinheit 7 angeschlossen sind. Dabei können jeweils die Steuereingänge für die Aktoren 11 eines Drehgestells 4 parallel geschaltet sein, um eine unsymmetrische Verdrehung des Drehgestells unter der Wirkung dieser Aktoren 11 zu verhindern.
Die Räder der beiden Radsätze jedes Drehgestells 4 laufen spurgebunden in einer Gleistrasse 13 , so daß das zugehörige Drehgestell zwangsläufig eine durch den aktuell befahrenen Gleisabschnitt bestimmte Lage einnimmt. Diese Lage entspricht im wesentlichen der Tangente an den Gleisbogenabschnitt 13 im Bereich des betreffenden Drehgestells 4. Infolge der am Knickgelenk 8 gekoppelten Wagenkästen 1, 2 können sich dieselben im dynamischen Fahrbetrieb nicht frei entsprechend der Stellung des Drehgestells ausrichten. Es ergibt sich dadurch eine Verdrehung der Sekundärfedern 5 um eine virtuelle vertikale Achse und in der Regel auch eine leichte Verschiebung quer zur Wagenkastenlängsachse WKL1 bzw. WKL2. Diese Verdrehung und Querverschiebung muß von den jeweiligen Paaren der Sekundärfedern 5 aufgenommen werden, d. h. die Sekundärfedern 5 speichern die sich daraus ergebende Energie. Im statischen Zustand, also bei ungebremst stehendem
Schienenfahrzeug nimmt die Summe dieser Einzelenergien einen Minimalwert an. Im Fahrbetrieb wird diese Energie aufgrund zusätzlich einwirkender dynamischer Kräfte verändert. Dementsprechend ist der vom gesamten Schienenfahrzeug beanspruchte Lichtraum im statischen Betrieb ein Minimum und erreicht im Fahrbetrieb Werte, die den im statischen Betrieb beanspruchten Lichtraum überschreiten können. Um dem entgegenwirken zu können, wird bei der Steuerung so verfahren, daß die Wagenkästen 1, 2 im dynamischen Fahrbetrieb abhängig von den aktuell gemessenen Istwerten der Verdrehwinkel A und des Knickwinkels K in eine an sich dem statischen Zustand entsprechende Stellung mit Hilfe der Aktoren 10 und gegebenenfalls 11 gesteuert werden.
Bei einer Konstellation gemäß Figur 2 steht ein zweiglied- riges Schienenfahrzeug auf einer geraden Gleisstrecke 13.
Dabei befindet sich der Wagen 2 im Schubbetrieb, so daß das Knickgelenk 8 und damit die Wagenkastenlängsachsen WKL 1 und WKL 2 gegenüber den in einer Flucht mit der Gleisstrecke 13 liegenden Drehgestellängsachsen DGL1 und DGL2 seitlich ausgelenkt werden. Der Verdrehwinkelgeber 6 am vorauslaufenden Wagen 1, 4 registriert hierbei einen positiven Verdrehwinkel AI, während der Verdrehwinkelgeber 6 am zweiten Wagen 2 , 4 einen im Betrag geich großen negativen Verdrehwinkel A2 registriert, nachdem die Wagenkastenlängsachse WKL2 im Gegensatz zur
Wagenkastenlängsachse WKL 1 im Gegenuhrzeigersinn gegenüber der Drehgestellängsachse 1 verdreht ist. Der aktuelle Knickwinkel nimmt daher definitionsgemäß einen positiven Knickwinkelwert K-Ist an, der gemäß Figur 1 der Summe der Absolutwerte der Verdrehwinkel AI-Ist und A2-Ist entspricht. Für den Knickwinkel K-Soll ergibt sich demnach gemäß der formel-mäßigen Bedingung der Wert Null. Der oder die Aktoren 10 oder 11 müssen daher so gesteuert werden, daß der Knickwinkel zum Wert null hingeführt wird, die Wagenkastenlängsachsen 1 und 2 also in einer Flucht mit den Drehgestellängsachsen 1 und 2 und damit bei geradem Gleis 13 auch zu dessen Längsachse parallel liegen.
Werden als Aktoren nur steuerbare Dämpfungselemente verwendet, dann werden bereits dann, wenn eine Auslenkung des Knickgelenks 8 zur Seite hin beginnt, die Aktoren 10 auf hohe Dämpfungswerte geschaltet, so daß ein seitliches Auslenken des Knickgelenks praktisch unterbunden wird. Eine Rückstellung des Knickgelenks erfolgt im Betrieb beispielsweise selbsttätig dann, wenn der Schubbetrieb des Wagens 2 endet oder der voraus-laufende Wagen zieht oder weniger stark gebremst wird. Die Rückstellkräfte der Sekundärfedern 5 unterstützen das Rückdrehen der Wagenkastenlängsachsen in die Flucht mit den Drehgestellängsachsen, wobei bei einer auf den Knickwinkel-Sollwert hinlaufenden Änderung des aktuell gemessenen Knickwinkel-Istwertes K ist die Dämpfungswirkung der Aktoren 10 zweckmäßig ganz aufgehoben werden kann. In entsprechender Weise können auch die Aktoren 11 zwischen Drehgestell 4 und zugehörigem Wagenkasten 1 und/oder 2 einer vom Sollwert weglaufenden Änderung durch Bedämpfung der Verdrehung entgegenwirken. Wenn diese Dämpfungsmaßnahmen nicht ausreichen, kann die Steuereinheit 7 zusätzlich ein
Abbremsen des zweiten Wagens 2 , 4 oder ein Beschleunigen des ersten, vorauslaufenden Wagens 1, 4 anweisen oder über Antriebsmotoren der Drehgestelle steuern. Werden aktiv krafteinleitende Aktoren 10 und/oder 11 verwendet, k-∑-nnen die notwendigen Kraftkomponenten zur Hinführung des Knickwinkel- Istwertes auf den Knickwinkel-Sollwert aktiv gesteuert werden.
Bei ziehendem Betrieb des ersten Wagens 1, 4 auf einem gleichmäßig gekrümmten Gleisstück 13 besteht die Gefahr, daß der Knickwinkel-Istwert K-Ist einen zu kleinen Wert annimmt, so daß gemäß Figur 3 freien die Enden der beiden Wagenkästen 1 und 2 nach bogenaußen und die mittleren Wagenenden mit dem Knickgelenk 8 nach bogeninnen schwenken und damit den Lichtraumbedarf vergrößern. Aus der hinsichtlich der geometrischen Verhältnisse zur Verdeutlichung der Funktion überzeichnet dargestellten geometrischen Gegebenheiten ergibt sich, daß der Knickwinkel K-Ist wesentlich kleiner als der Sollwert K-Soll ist, der sich am Schnittpunkt der verlängerten Drehgestellängsachsen DGL1 und DGL2 ergibt. Dieser Knickwinkel-Sollwert ergibt sich unter Berücksichtigung von durch das Drehgelenk 8 gelegten parallelen Linien zu den Drehgestellängsachsen gemäß Figur 3 als Summe der Absolutwerte des Knickwinkel-Istwerts K-Ist und der Verdrehwinkel AI und A2. Das Steuergerät 7 gibt somit an die Aktoren 10, 11 in diesem Falle Steuersignale aus, die eine Vergrößerung des aktuell gemessenen Knickwinkels bewirken. Sofern die Vergrößerung des aktuellen Knickwinkel- Istwertes nicht durch Verzögerung am vorauslaufenden Wagen 1, 4 oder Beschleunigen des zweiten Wagens 2, 4 ausgeführt wird, müssen aktive Kraftkomponente der Aktoren 10 das Knickgelenk verstärkt knicken oder die Aktoren 11 eine Rückdrehung der
Wagenkästen gegenüber den Drehgestellen bewerkstelligen bzw. könen beide Maßnahmen zugleich gesteuert werden. Dabei ist zu beachten, daß in der Praxis Winkelwerte in der in Figur 3 dargestellten Größe nicht auftreten können, da der Verdreh- winkel A in der Regel klein ist und die Gleisbogenkrümmung im Vergleich zu den Drehgestellabmessungen einen wesentlich größeren Radius aufweist.
Die Iststellung der Wagenkästen ergibt sich aus dem Knickwinkel K und den Verdrehwinkeln a, wie sie durch den
Knickwinkelgeber 9 bzw. die Verdrehwinkelgeber 6 tatsächlich gemessen und als insbesondere elektrische Istwert-Signale K bzw. V ausgegeben und an die Steuereinheit 7 zur Weiterverarbeitung geleitet werden. In der Steuereinheit werden die Istwert-Signale mit dem daraus abgeleiteten bzw. berechneten Knickwinkel-Sollwertsignal verglichen und abhängig davon eine Steuerung der Aktoren 10 und ggfs 11 durchgeführt. Dabei können die Aktoren 10, 11 so gesteuert werden, daß bei Istwert-Signalen, die dem Sollwert nacheilen, die aus der Fehrzeugdynamik herrührenden Knick-/bzw. Verdrehkräfte zwischen den zugehörigen Wagenkästen bzw. Drehgestell und Wagenkasten so unterstützt werden, daß die Istwert-Signale sich den Sollwert-Signalen annähern bzw. daß sie beim Überschwingen der Istwerte über den Sollwert hinaus in gegenläufiger Richtung gesteuert werden. Werden die Aktoren dagegen nur als Dämpfungselemente ausgebildet, ist eine aktive Unterstützung der Drehbewegungen zur schnelleren Annäherung der Istwerte an die Sollwerte nicht möglich, jedoch wird dann, wenn der Istwert den Sollwert erreicht hat und anschließend vom Sollwert wegläuft, eine Bedämpfung der entsprechenden Wagenkastenbewegung bewirkt. Sobald wieder eine Annäherung des Istwertes an den Sollwert erfolgt, wird diese Bedämpfung aufgehoben, damit sich der Knickwinkel dem Sollknickwinkel möglichst ungehindert annähern kann.Bewegt sich der Istwert zu schnell auf den Sollwert zu, sodaß ein Überschwingen zu erwarten ist, wird die Istwertänderung durch das Einschalten der Dämpfungswirkung kurz vor Erreichen des Sollwertes abgebremst.
Die Aktor-Anordnung 10, 11 weist vorzugsweise je zwei symmetrisch zum Knickgelenk 9 und/oder zu den Drehgestellen 4 angeordnete Aktorelemente auf. Während die Aktoren 11 zwischen Drehgestell 4 und Wagenkasten 1 bzw. 2 vorliegend jeweils gleichsinnig arbeiten müssen, um eine symmetrische Verdrehung gegenüber dem zugehörigen Wagenkasten zu erreichen und daher je Drehgestell an einem gemeinsamen Ausgang S 1/S 2, S 3/S 4 der Steuereinheit 7 angeschlossen werden können, müssen die Aktor-Elemente 10 im Bereich des jeweiligen Knickgelenks 9 aufgrund ihrer Anordnung in einer waagerechten Ebene jeweils neben dem Knickgelenk im gegenläufigen Sinne gesteuert werden. Es muß also beim Strecken des einen Aktor- Elements 10 das andere entweder wirkungslos oder im Sinne einer Verkürzung der axialen Länge gesteuert werden. Bei einer Steuerung der Wagenkästen durch Beeinflussung des Knickwinkels zwischen den Wagenkastenlängsachsen, ggf. unter Zuhilfenahme der Steuerung der Drehgestelle gegenüber den Wagenkästen, erreicht somit die Wagenkastenstellung zueinander eine weitgehend dem statischen Betrieb angenäherte Zuordnung im dynamischen Fahrbetrieb. Das Schienenfahrzeug erfordert dann in Bezug auf den tatsächlichen Gleistrassenverlauf nur einen zumindest angenähert idealen Lichtraumbedarf und hält denselben insbesondere dann ein, wenn Fehlfunktionen an Brems- und/oder Antriebselementen oder andere Einflußfaktoren zu einem Schubbetrieb mit Ausknickung des Kuppelgelenks führen könnten oder Zugkräfte bei Bogenfahrt den Knickwinkel zu klein werden lassen würden.

Claims

Patentansprüche
1. Schienenfahrzeug mit zwei über ein einachsiges, um eine senkrechte Achse schwenkbares Knickgelenk gekuppelten Wagenkästen, die jeweils über elastische Federelemente auf einem im Längsmittenbereich des Wagenkastens angeordneten mehrachsigen Drehgestell aufsitzen, und mit Steuermitteln zur Erfassung des Drehwinkels zwischen Wagenkasten und Drehgestell sowie des Knickwinkels am Knickgelenk und mit steuerbaren Stellgliedern zur Beeinflussung des Knickwinkels abhängig von den Steuermitteln, dadurch gekennzeichnet, daß der Knickwinkel (K) des Knickgelenks (8) gemäß der Beziehung
K-Soll = K-Ist + A2-ist - AI-Ist
gesteuert ist, wobei K-Soll der Sollwert des Knickwinkels,
K-Ist der aktuelle Istwert des Knickwinkels,
AI-Ist der aktuelle Drehwinkel zwischen dem in Fahrtrichtung vorlaufenden Drehgestell und dem zugehörigen Wagenkasten und A2-ist der aktuelle Drehwinkel zwischen dem in Fahrtrichtung nachlaufenden Drehgestell und dem zugehörigen Wagenkasten ist.
2. Schienenfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich oder alternativ zu Stellgliedern (10) am Knickgelenk (8) weitere Stellglieder (11) zumindest zwischen einem der Wagenkästen 1,2 und dem zugehörigen Drehgestell (4) vorgesehen sind.
3. Schienenfahrzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellglieder (10, 11) steuerbare Dämpferelemente sind.
4. Verwendung mehrerer Schienenfahrzeuge nach Anspruch 1 oder einem der folgenden die miteinander über je eine Koppelstange verbunden sind, welche an benachbarten Wagenkästen je ein Gelenk aufweist.
5. Verfahren zur Steuerung des Knickwinkels bei einem Schienenfahrzeug nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die aktuellen Verdrehwinkel zwischen den Drehgestellen und dem jeweils zugehörigen Wagenkasten sowie der aktuelle Knickwinkel am Knickgelenk gemessen werden und daß der Knickwinkel durch Krafteinwirkung auf das Knickgelenk entsprechend der Summe aus aktuellem Knickwinkel, aktuellem Verdrehwinkel zwischen dem in Fahrtrichtung nachlaufenden Drehgestell und Wagenkasten sowie dem aktuellen negierten Verdrehwinkel zwischen dem in Fahrtrichtung ersten
Drehgestell und zugehörigem Wagenkasten gesteuert wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Abknicken der Wagenkastenlängsachse des vorlaufenden Wagens gegenüber der Wagenkastenlängsachse des nachlaufenden Wagens bzw. einem Verdrehen der Wagenkastenlängsachse gegenüber der zugehörigen Drehgestellängsachse jeweils in einem Drehsinn ein Steuerwert für einen positiven Winkel und bei einem Abknicken oder Verdrehen im Gegenuhrzeigersinn ein Steuerwert für einen negativen Winkel generiert wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Knickwinkel des Knickgelenks mittels zugeordneter Stellglieder in Abhängigkeit vom Knickwinkel-Sollwert verändert wird.
8. Verfahren nach Anspruch 5 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß aus den aktuell gemessenen Drehwinkeln der arithmetische Mittelwert gebildet wird und daß zumindest ein Vergrehwinkel auf den arithmetischen Mittelwert hin gesteuert wird.
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