WO2003010039A2 - Verfahren und vorrichtung zur aktiven radialsteuerung von radpaaren oder radsätzen von fahrzeugen - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur aktiven radialsteuerung von radpaaren oder radsätzen von fahrzeugen Download PDF

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WO2003010039A2
WO2003010039A2 PCT/EP2002/008436 EP0208436W WO03010039A2 WO 2003010039 A2 WO2003010039 A2 WO 2003010039A2 EP 0208436 W EP0208436 W EP 0208436W WO 03010039 A2 WO03010039 A2 WO 03010039A2
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wheel
wheel unit
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wheels
movements
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Richard Schneider
Wolfgang Auer
Günther Himmelstein
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Bombardier Transportation Gmbh
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    • 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
    • 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
    • B61F5/383—Adjustment controlled by non-mechanical devices, e.g. scanning trackside elements

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for active radial control of wheel pairs or wheel sets of vehicles.
  • the invention is particularly suitable for - but not limited to - use in rail vehicles.
  • a number of mechanical devices for the quasi-static adjustment of wheel pairs or wheel sets in track bends which are referred to below with the collective term wheel unit, are known, which have passive or active means. With active control, the wheel units are aligned and held according to the arc radius. These devices steer the wheel unit in a fixed ratio to the radius of the bend and equalize the sums of the transverse forces acting on the wheel units of a chassis or vehicle at most for a limited range.
  • the disadvantage here is that the running stability is not better than with a conventional running gear with a stiff longitudinal guidance of the wheel units; at best, no deterioration is achieved.
  • Mechanical devices are also required to ensure running stability, for example anti-roll dampers or anti-rotation inhibitors. These can only represent a compromise between smooth movement and running stability and generally lead to the excitation of structural vibrations in the car body. Often, additional damping elements in the wheel unit coupling are necessary.
  • EP 0 785 123 B1 describes methods for obtaining and processing data for tracking the running gear from single wheel units.
  • the turning movement of the undercarriage is sensed force-free by means of angle sensors as angle, angular velocity or angular acceleration, the measured quantity or measured quantities are broken down into their frequency components, and movements which are outstanding from the frequency spectra according to amplitude, frequency and phase position are recognized as disruptive, who or who vectors identified after their phase rotation of 180 ° and preparation of a control or regulation as information for changing the setting angle of the running gear and the disruptive movement components from the running gear movement are hidden by the control or regulation.
  • the invention does not take into account the transverse force between the pair of wheels or set of wheels and the track.
  • a rail vehicle is known from EP 0 374 290 B1, which comprises a predeterminable number of individual wheels on both sides along the longitudinal axis of the vehicle, which can be pivoted by steering.
  • a steering error-free steering of each individual wheel in curve areas is to be achieved in that a rail course measuring device is provided which measures the deviation of a vehicle axle from the course of the rails and which, depending on the measured deviation, generates a steering signal for each individual wheel independently of the other.
  • Non-contact systems based on opto-electronic or magnetic or electromagnetic table basis proposed. The invention is not applicable to vehicles with pairs of wheels or sets of wheels.
  • JP A 06199236, JP A 07081564 and JP A 07081565 describes an influencing of the shaft or sine run by hydraulic actuators between the bogie frame and the wheelset bearing. It is based on the identification of the frequency of the wave movement in a spectrum of the recorded translational or yaw vibrations, which requires at least eight sensors per bogie and a longer data collection with subsequent frequency analysis.
  • the object of the invention is to eliminate the disadvantages of the prior art described and, in particular, to propose a method and a device for active radial control of wheel units of vehicles which ensure safe, wear-resistant and comfortable guidance of the vehicle, in particular when driving straight ahead, but also when cornering guarantee. Furthermore, it is an object of the invention to eliminate unwanted, disruptive movements of the wheels immediately by means of suitable stabilization measures, without this requiring a longer data collection for a frequency analysis which nullifies the real-time effect. Wheels rolling smoothly on rails are quiet. Wear on wheels and rails is also reduced.
  • the method according to the invention for active radial control of the wheels of at least one wheel unit of a chassis consists of an integrated control which - in the case of bogies, preferably purely within the chassis, ie without a mechanical operative connection to the car body - impresses the wheel unit in at least two, non-identical frequency ranges.
  • the wheel unit is impressed with first positioning movements in a first frequency range and second positioning movements in a second frequency range that differs from the first frequency range.
  • the running movements of the vehicle are preferably regulated by the actuating movements in the second frequency range.
  • the device according to the invention for active radial control of at least one wheel unit of a vehicle comprises at least one actuating device connected to the wheel unit for impressing positioning movements on the wheel unit and a control device connected to the actuating device for actuating the actuating device.
  • the actuating device serves in particular to impress a rotation about the vertical axis and additionally or alternatively a translation in the transverse direction on the wheel unit.
  • the control device is designed to control the actuating device in such a way that the actuating device of the wheel unit, in a first frequency range, impresses first actuating movements for generating quasi-static deflections of the wheel unit in accordance with the arc radius of a route segment currently to be traversed. Furthermore, it is designed to control the actuating device in the manner of a stability control in such a way that second actuating movements superimposed on the first actuating movements, which are used to generate deflections of the wheel unit to stabilize the running of the vehicle, are impressed on the wheel unit in a second frequency range different from the first frequency range ,
  • the actuating device which can be designed as a simple actuator, generates deflections and forces in accordance with the specifications of the control device and thus causes the wheel unit, that is to say a pair of wheels or a wheel set, to rotate about the vertical axis and additionally or alternatively, a translation of the wheel unit in the transverse direction.
  • the actuating device that is to say the actuator, is designed according to the invention in such a way that it generates quasi-static deflections and forces corresponding to the radius of an arc to be traveled through, for example a track curve, and deflections and forces with a different, generally higher frequency for stabilizing the running of the vehicle when driving over a bend as well as when running straight.
  • a particularly good setting of the transverse forces and a particularly effective stabilization can be achieved if several, preferably all, wheel units of the vehicle are controlled via the radial control according to the invention.
  • the frequency of the first and second actuating movements is not a fixed, predetermined frequency, but rather a frequency that changes over time, which ultimately depends on the current state of motion of the vehicle, in particular, therefore, on the current speed of the vehicle and the current route section is specified.
  • the second frequency range comprises frequencies that are at least partially higher than frequencies from the first frequency range.
  • the second frequency range is preferably above the first frequency range.
  • the second frequency range further preferably adjoins the first frequency range.
  • Preferred values for the first frequency range are between 0 Hz and 3 Hz, while the second frequency range is between 0 Hz and 10 Hz, preferably between 3 Hz and 10 Hz.
  • the stability of the running of all wheel units is guaranteed both when driving on a straight track and in bends. Adjustment in the curve is also possible with high tractive forces and unfavorable wheel-rail parameters.
  • the adjusting movements in the first frequency range result in a quasi-static adjustment of the wheels of the wheel unit such that the sums of the transverse forces acting on the wheels of the wheel units of the chassis are equalized.
  • a transverse force resultant acts on each wheel unit, at least the amount of which essentially corresponds to that of the transverse force resultant acting on the other wheel units.
  • Another advantage of the invention is that it makes it possible to achieve special lateral force distributions between the wheel units using appropriate settings and algorithms and / or to provoke special wear conditions between the wheel and rail on the wheel units of the undercarriage or vehicle in order to ensure the running behavior z.
  • the adjusting movements in the first frequency range result in a quasi-static adjustment of the wheels of the wheel unit such that there is a distribution of the transverse forces acting on the wheels of the wheel units of the chassis, in which the Driving behavior predeterminable operating and maintenance conditions is adapted.
  • diagnosis of the correct function of all components of a device operating according to the method according to the invention is possible by monitoring the running stability and the setting of the respective wheel unit.
  • Preferred variants of the method according to the invention are characterized in that the running stability of the vehicle is regulated by the second actuating movements in the second frequency range. This is preferably done by determining in the course of the control from the measured instantaneous values of one or more state variables of the system a representation of the instantaneous state of the mechanical system, for example in the form of a corresponding stability matrix.
  • the state variables include, among other things, the speed and acceleration of the wheel unit in the transverse direction, that is to say transversely to the vehicle longitudinal direction, and the speed and acceleration of the wheel unit about the vertical axis.
  • This representation of the current state of the mechanical system is checked for its stability by means of suitable mathematical algorithms.
  • the variable parameters of the system description originating from the adjusting devices are varied in a suitable manner in such a way that or until a stable system is obtained.
  • the "stable" instantaneous values obtained in this way for the variable parameters originating from the actuating devices are then used to generate the control signals for the respective actuating device in order to work towards a stable system state via the actuating devices.
  • stability control in which a measurement over a longer period of time and an analysis of these measurement series (for example by means of a Fourier transformation) is required, this ensures rapid, immediate and effective stabilization of the system.
  • the solution according to the invention makes it possible to dispense with mechanical stabilization devices between the undercarriage and the body for the running behavior such as, for. B. Anti-roll damper or anti-rotation inhibitor.
  • Damping elements in the coupling of the wheel units, in particular in the coupling linkage can also be dispensed with.
  • the minimization of the run-on angle and thus the track load and the minimization or optimization of wear on the wheel and rail are also advantageous.
  • a stable vehicle run is achieved over the entire speed range, even at high speeds. Due to the lack of a coupling linkage between the wheel units and the car body, in addition to the simpler mechanical structure, there is no transmission of structure-borne noise and vibrations through this coupling element.
  • the integrated control in a vehicle with a chassis comprising a bogie is preferably designed in such a way that it acts internally in the chassis without a mechanical operative connection to the car body, in order to transmit structure-borne noise and vibrations through coupling elements to the car body in addition to the simpler mechanical construction avoid.
  • the device for signal processing or the like can of course also be arranged in or on the car body, but this can then only be connected to the active elements of the actuating device via corresponding control lines, such as cables or the like.
  • control unit controls at least one fast-reacting actuating device, for example a fast-reacting actuator, which adjusts the angular position of the wheel unit relative to the undercarriage frame or car body, in order in this way, for example, to optimally radially align the wheel unit with respect to a track curve to achieve.
  • fast-reacting actuating device for example a fast-reacting actuator
  • the relative movements between the outer wheel units of a vehicle with at least two wheel units are controlled by the adjusting movements in order to achieve an optimal alignment of the wheel units of the vehicle, for example in the track curve.
  • any input variables can be used for the control, which, individually or in combination, allow conclusions to be drawn about the current state, in particular the current state of motion of the vehicle and / or Allow wheel unit.
  • the position of the wheel unit is preferably regulated as a function of the arc radius and / or the driving speed and / or unbalanced lateral acceleration and / or the coefficient of friction and / or the profile parameters between the wheel and the rail.
  • the determined transverse path of at least one wheel unit with respect to the bogie frame or car body, the determined yaw angle of at least one wheel unit with respect to the bogie frame or car body are used for the control method.
  • the determined actuating path or actuating angle of at least one actuating device or the determined actuating forces of at least one actuating device can be used.
  • the determined driving speed, the determined speed or acceleration of the wheel unit in the transverse direction or the determined yaw rate or yaw acceleration of the wheel unit can be used.
  • the radius of curvature of the route can also be used.
  • the actuating device can in principle be of any design in order to achieve the corresponding actuating movements.
  • the first and second actuating movements are generated by a single actuating device. It is then only necessary to provide that the actuating device is designed to react sufficiently quickly to generate the second actuating movements in the second frequency range.
  • different actuating devices can be provided for generating the first and second actuating movements.
  • the actuating device is designed as an electrical, hydraulic or pneumatic actuator.
  • actuating devices can in principle be chosen arbitrarily. It only needs to be ensured that the corresponding actuating movements can be generated reliably.
  • at least one actuating device is provided per wheel of the wheel unit and additionally or alternatively per wheel bearing of the wheel unit and further additionally or alternatively per coupled wheels of the wheel unit.
  • the coupling between the actuating device and the wheel unit can in principle be designed as desired.
  • a gear can be arranged between the adjusting device and the wheel or wheel bearing of the wheel unit, in order to generate the adjusting movements or adjusting forces of the desired height in a simple manner using simple adjusting devices.
  • the mode of operation in particular the active movement of the actuating device, can be adapted to the required actuating movement. If, for example, a linear actuating movement is required or desired, it is preferably provided that the actuating device has a linear active movement. If, on the other hand, a rotational actuating movement is required or desired, it is preferably provided that the actuating device has a rotational active movement.
  • the positioning device can in principle be arranged as desired depending on the desired coupling between the individual wheel units. The actuating device can thus be arranged between the wheels of different vehicle sides, while it can also be arranged on a vehicle side, in particular between wheels of a vehicle side.
  • actuating device In order to ensure reliable operation even in the event of the failure of individual actuating devices, it is provided in preferred variants of the device according to the invention that a plurality of actuating devices are combined to create redundancy, which then advantageously serve to generate one and the same actuating movements and also in the event of failure of the others Actuating device or actuating devices can each produce on their own.
  • 1 is a self-steering, three-axle chassis or vehicle
  • Fig. 2 is a two-axle chassis or vehicle
  • Fig. 1 shows a three-axle chassis 1 for a rail vehicle, for example a three-axle bogie or three coupled wheel units attached to the car body in Form of wheel sets or wheel pairs.
  • This has a bogie or car body frame, not shown in the figure, consisting of longitudinal and cross members.
  • Wheel bearing housings 2 to 7 of the three wheel units 8, 9, 10 are fastened to the longitudinal members via spring elements (not shown), namely wheel bearing housings 2, 3 for the first wheel unit 8 (outer wheel unit), wheel bearing housings 4, 5 for the second wheel unit 9 (center wheel unit) and Wheel bearing housing 6, 7 for the third wheel unit 10 (outer wheel unit).
  • the wheel units 8, 9, 10 comprise wheels 11.
  • the wheel units 8 # 9, 10 can be driven by drive motors, not shown, for example Tatzlager- or rack motors.
  • the wheel bearing housings 2, 3, 6, 7 of the two outer wheel units 8, 10 can be moved, inter alia, in the direction of travel or opposite to the direction of travel of the rail vehicle, which is indicated by directional arrows xl, x2.
  • the wheel bearing housings 4, 5 of the center wheel unit 9 can be moved, inter alia, perpendicular to the direction of travel of the rail vehicle, which is indicated by directional arrows y1, y2.
  • the wheel bearing housings 2, 3, 4, 5, 6, 7 are each coupled only on the same chassis side via handlebar-rod-rotary lever configurations.
  • An oblique handlebar 12 is arranged between a joint 13 of an angle lever 14 and a joint 15 of the wheel bearing housing 3.
  • the angle lever 14 has an axis of rotation 16 fixed to the frame and is connected via joint 17 via its second arm to the end face of the wheel bearing 5 of the center wheel unit 9.
  • the wheel bearing housing 7 is assigned a rotary lever 18 with a frame-mounted central axis of rotation 19, the handlebar 20 leading to the wheel bearing housing 7 engaging the first joint 21 of this rotary lever 18 and the second joint 22 of this rotary lever 18 being connected to a handlebar 23 which, on the other hand, is already mentioned Joint 13 of the angle lever 14 leads.
  • the couplings of the wheel bearing housings 3, 5, 7 on one chassis side are realized symmetrically to the longitudinal axis of the rail vehicle, also in the wheel bearing housings 2, 4, 6 on the other chassis side.
  • An oblique handlebar 24 is arranged between a joint 25 of an angle lever 26 and joint 27 of the wheel bearing housing 2.
  • the angle lever 26 has an axis of rotation 28 fixed to the frame and is connected via its second arm to the end face of the wheel bearing 4 of the center wheel unit 9 via its joint 29.
  • the wheel bearing housing 6 is assigned a rotary lever 30 with a frame-mounted central axis of rotation 31, the handlebar 32 leading to the wheel bearing housing 6 engaging the first joint 33 of this rotary lever 30 and the second joint 34 of this rotary lever 30 with a handlebar 35 is connected, which on the other hand leads to the already mentioned joint 25 of the angle lever 26.
  • a linear actuator 36 which acts in the direction of travel or counter to the direction of travel (xl, x2), is arranged on the wheel bearing housing 2.
  • a linear actuator 37 acting perpendicular to the direction of travel (yl, y2), is arranged on the wheel bearing housing 4.
  • a rotary actuator 38 is arranged in FIG. 1, which causes rotation about the axis of rotation 28.
  • a linear actuator 39 acting in the direction of travel or counter to the direction of travel (xl, x2), is arranged on the wheel bearing housing 6.
  • a linear actuator 40 acting in the direction of travel or counter to the direction of travel (xl, x2) is arranged on the joint 33 of the rotary lever 30, as well as a rotary actuator 41.
  • the actuator 41 causes rotation about the axis of rotation 31.
  • the actuators 36 to 41 can be used either individually or in combination. When several actuators 36 to 41 are combined, redundancy is created so that if one or more actuators fail, Oil drives 36 to 41 at least partially assume the other, not unusual, functions thereof.
  • the method according to the invention consists of an integrated control, which is internal to the chassis, ie. H. without mechanical connection to the car body, simultaneously or integrated in at least two frequency ranges.
  • the wheel units 8, 9, 10 are set in a quasi-static manner in track arches, with equalization of the sums of the transverse forces acting on the wheel units 8, 9, 10 of the chassis or vehicle.
  • a transverse force resultant acts on each wheel unit, which corresponds at least in terms of amount to the transverse force resultant on the other wheel units.
  • the running stability is regulated in a second frequency range, as has already been described above.
  • a representation of the current state of the mechanical system is determined from measured instantaneous values of one or more state variables of the system, which are specified in more detail below. This is done, for example, in the form of a corresponding stability matrix.
  • this matrix is influenced by the unchangeable mechanical parameters of the elements of the system that cannot be actively activated, such as springs, etc.
  • the variable parameters of the actuators are also included in the determination of this matrix.
  • Suitable mathematical algorithms are used to determine the stability of this current stability matrix. reviewed.
  • the actively influenceable variable parameters of the system description resulting from the actuators are varied in a suitable manner in such a way that or until a stable stability matrix is obtained, ie a stable system is obtained.
  • the "stable" instantaneous values thus obtained for the variable parameters originating from the actuators are then used to generate the control signals for the respective actuator. This means that the actuators can be used to work quickly, easily and effectively towards a stable system status.
  • the state variables mentioned above include a. the speed and acceleration of the wheel unit in the transverse direction, d. H. transverse to the vehicle's longitudinal direction, as well as the speed and acceleration of the wheel unit about the vertical axis.
  • d. H. transverse to the vehicle's longitudinal direction as well as the speed and acceleration of the wheel unit about the vertical axis.
  • at least one of these measured state variables or a combination of these measured state variables is used for the stability control described above.
  • the second frequency range comprises frequencies that are at least partially higher than frequencies from the first frequency range.
  • This control controls fast reacting actuators 36 to 41, which determine the angular position the wheel units 8 and 10 or the transverse displacement of the wheel unit 9 relative to the frame.
  • the relative angle between the outer wheel units 8, 10 and the transverse displacement of the center wheel unit 9 are regulated.
  • the absolute angle or angles of one, several and / or all wheel units 8, 9, 10 can be regulated with respect to a chassis frame or car body.
  • the quasi-static setting of the wheel unit 8, 9, 10 in question is regulated solely as a function of the arc radius of the track segment currently being carried out.
  • the radius of the arc is determined with the aid of the measurement signals from corresponding sensors, for example transverse acceleration and / or rotational acceleration sensors, rotational speed sensors and / or transverse speed sensors.
  • the position of the wheel unit 8, 9, 10 in question can be regulated as a function of the radius of the curve, driving speed, unbalanced lateral acceleration, coefficient of friction and / or profile parameters between the wheel 11 and the rail.
  • Corresponding sensors are also used to determine these variables.
  • the transverse path of each wheel unit 8, 9, 10 with respect to the frame, the yaw angle of each wheel unit 8, 9, 10 with respect to the frame, the adjustment path or adjustment angle of the Actuators 36 to 41, the actuating forces or moments of the actuators 36 to 41, the (absolute) driving speed, the (absolute) speed or (absolute) acceleration of the wheel unit in the transverse direction, the (absolute) yaw rate or the (absolute) Yaw acceleration of the wheel unit and / or the arc radius can be used by means of appropriate sensors, for example lateral acceleration and / or rotational acceleration sensors, rotational speed sensors and / or transverse speed sensors.
  • a frequency analysis of the movements of the wheel pairs or wheel sets is not necessary for this and is omitted.
  • the device according to the invention includes a control device (not shown in FIG. 1) connected to the corresponding control inputs of the actuators 36 to 41. This serves both for quasi-static adjustment and for stability control of the wheel units 8, 9, 10 of the rail vehicle with at least two, in this exemplary embodiment three wheel units 8, 9, 10 or a bogie of a rail vehicle with at least two wheel units.
  • the actuators 36 to 41 generate first actuating movements in the form of quasi-static deflections and forces corresponding to the radius of an arc of a track segment to be traversed, for example an arc, and superimpose second actuating movements in the form of deflections and forces with a higher frequency to stabilize the running of the vehicle when driving on one Bow as well as straight-ahead.
  • the actuators 36 to 41 generate deflections and forces in accordance with the specifications of the control device.
  • the actuators 36 to 41 cause the wheel units 8, 10 to rotate about the vertical axis and / or translate the wheel unit 9 in the transverse direction.
  • the power generation in the actuators 36 to 41 takes place electrically, hydraulically, pneumatically or by a combination of these processes.
  • At least one actuator 36 to 41 is provided on one chassis side per wheel 11 or wheel bearing of the wheel unit 8, 9, 10, as in this exemplary embodiment.
  • An actuator 36 to 41 acts on at least two wheels which are coupled to one another.
  • the coupling can be arranged between a wheel 11 and a further wheel 11 of the same wheel unit 8, 9, 10 or the wheel of another wheel unit on the same or opposite side of the vehicle.
  • the active movement of the actuators 36, 37, 39, 40 is linear in this exemplary embodiment.
  • the actuators 36, 37, 39, 40 can simultaneously take over the function of a handlebar. They act in addition to a possibly existing passive coupling and are connected to it via levers or handlebars.
  • the actuator can act in a rotary manner, as is the case for the actuators 38, 41 in the exemplary embodiment. Then he can take over the function of a pivot bearing at the same time. It acts in addition to any existing passive coupling and is connected to it via a lever or handlebar or via a rotary coupling.
  • Fig. 2 shows a chassis of a rail vehicle. Shown are a bogie or car body frame 50, two wheel units 51, 52, with wheels 53 and wheel bearing housings 54 to 57.
  • the wheel units 51, 52 are mounted in a radially controllable manner by means of a rotary shaft 58, rotary levers 59, 60 and handlebars 61 and with primary spring elements 62 connected to the frame 50.
  • Actuators 63 to 65 generate first actuating movements in the form of quasi-static deflections and forces corresponding to the curve radius of a travel path segment to be traversed, for example a curved track, and superimpose second actuating movements in the form of deflections and forces with a higher frequency to stabilize the running of the vehicle both when driving on a curve and also when running straight.
  • the actuators 63 to 65 generate deflections and forces in accordance with the specifications of an associated control device according to the invention — not shown in FIG. 2.
  • the actuators 63 to 65 cause the wheel units 51, 52 to rotate about the vertical axis.
  • the force in the actuators 63 to 65 is generated electrically, hydraulically, pneumatically or by a combination of these processes.
  • the actuators 63 to 65 act in this exemplary embodiment on both wheel units 51, 52, since these are coupled via the rotary shaft 58, the rotary levers 59, 60 and the handlebars 61.
  • the linear actuator 63 is arranged at an articulation point 66 of the rotary lever 59.
  • the linear actuator 64 is arranged on the wheel bearing housing 56 of the wheel unit 52.
  • the rotary actuator 65 is arranged on the rotary lever 59 and causes rotation about a horizontally extending axis of rotation 67.
  • One, several or all of the actuators 63 to 65 can be provided. If several of the actuators 63 to 65 are used, it is conceivable that certain actuators for the generation of the first actuating movements, that is to say the quasi-static adjustment of the wheel units according to the track curve (ie in the lower frequency range) and others for the generation of the second actuating movements , ie the stability control (ie in the higher frequency range) can be used.
  • the rotary shaft 58 can be omitted; in this case, at least one actuator type 63 to 65 is arranged on each side.
  • the wheel units 51, 52 are set quasi-statically in track curves, with equalization of the sums of the transverse forces acting on the wheel pairs or wheel sets 51, 52 of the undercarriage or vehicle. In other words it is achieved that a shear force resultant acts on the respective wheel unit, which corresponds at least in terms of amount to the shear force resultants acting on the other wheel units.
  • the control of the running stability described above takes place in a second frequency range.
  • the second frequency range includes frequencies that are at least partially higher than frequencies from the first frequency range.
  • the control device with which this control is implemented controls the fast-reacting actuators 63 to 65, which set the angular position of the wheel units 51, 52 relative to the frame.
  • the relative angle between the wheel units 51, 52 is regulated.
  • the regulation of the quasi-static setting of the wheel unit 51, 52 in question also takes place in this exemplary embodiment as a function of the arc radius of the route segment to be traversed.
  • 3 and 4 each show individual wheel units of undercarriages or vehicles with active radial controls and different arrangement options of one or more actuators 68 to 76.
  • the linear actuator 68 is arranged on a wheel bearing housing 77.
  • the linear actuator 69 is arranged on a joint 78 at the end of a steering beam 79.
  • the joint 78 is simultaneously connected to the wheel bearing housing 77 via a handlebar 80.
  • the handlebar 80 is rotatably supported about a vertical axis of rotation 81 which intersects the center line of the vehicle.
  • the linear actuator 70 is arranged on a joint 82 which is also arranged on the steering beam 79 and outside the axis of rotation 81.
  • the rotary actuator 71 is arranged at the pivot point 81 of the steering beam 79.
  • the rotary actuator 72 is connected via a rotary lever 83 and a link rod 84 to a joint 85 of the steering beam 79 outside the axis of rotation 81.
  • the steering beam 79 is connected to a wheel bearing housing 88 via a joint 86 arranged at its end and a handlebar 87 attached to it.
  • the linear actuator 73 acting in the direction of travel acts via a joint 89 with a leg of an angle lever 90 and a link rod 91 on a wheel bearing housing 92.
  • the angle lever 90 is mounted about a horizontal axis of rotation 93 on which a rotary actuator 76 attacks.
  • the linear actuators 74, 75 act in parallel on a steering beam 94. This takes place via a joint 95 on the steering beam 94 or a joint 96 of a leg of an angle lever 97.
  • the angle lever 97 is mounted about a vertical axis of rotation 98 and is at the other end via a Joint, a handlebar 99 connected to a wheel bearing housing 100.
  • These actuators 73 to 76 can also be used individually or in combination to increase redundancy.
  • 5 to 7 show individual wheel units of a chassis or vehicle, each with an actuator 101, 102.
  • the rotary actuator 101 simultaneously performs the function of coupling the two wheels 103 via corresponding joints 104, rotary shafts 105 angled at both ends and rotatably mounted about their longitudinal axis, handlebar rods 106 and wheel bearing housing 107 simultaneously both wheels 103 according to the stability control and causes the wheels 103 to rotate about the vertical axis. In other words, it generates the first and second actuating movements simultaneously.
  • two wheels 108 are coupled with their associated wheel bearing housings 109 via handlebar rods 110, joints 111 and a rotary shaft 112 which is angled at 90 ° in the opposite direction and rotatably mounted about its longitudinal axis.
  • the rotary actuator 102 is arranged via a joint 113 and a link rod 114, which rotates the rotary shaft 112 about its longitudinal axis and thus allows the wheels 108 to rotate about the vertical axis.
  • FIG. 7 shows a further modification of a single wheel unit with coupled wheels 115.
  • the coupling takes place via wheel bearing housing 116, handlebar rods 117, 118, 119, joints 120 and a rotating shaft 121 arranged thereon.
  • the rotating shaft 121 is rotatable about by means of bearings 122 fastened to the frame stored their longitudinal axis.
  • levers 123 are arranged for connection to the handlebars 118, 119 via joints 120.
  • the two handlebars 117, 119 are connected to a rotary actuator 124, which causes the wheels 115 to rotate about the vertical axis.
  • the rotary actuator 124 can thus be arranged on the side of the frame.

Abstract

Verfahren zur aktiven Radialsteuerung der Räder (11, 53, 103, 108, 115) wenigstens einer Radeinheit (8, 9, 10, 51, 52) eines Fahrwerks, insbesondere eines Fahrwerks eines Schienenfahrzeugs, bei dem der Radeinheit (8, 9, 10, 51, 52) Stellbewegungen aufgeprägt werden und eine integrierte Regelung mit Stellbewegungen in mindestens zwei, nicht identischen Frequenzbereichen erfolgt, wobei der Radeinheit (8, 9, 10, 51, 52) erste Stellbewegungen in einem ersten Frequenzbereich und zweite Stellbewegungen in einem vom ersten Frequenzbereich verschiedenen zweiten Frequenzbereich überlagert aufgeprägt werden. Zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur aktiven RadialSteuerung von Radpaaren oder Radsätzen von Fahrzeugen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur aktiven RadialSteuerung von Radpaaren oder Radsätzen von Fahrzeugen. Die Erfindung ist besonders geeignet für - aber nicht beschränkt auf - den Einsatz in Schienenfahrzeugen.
Es sind eine Reihe mechanischer Vorrichtungen zur quasistatischen Einstellung von im Folgenden mit dem Sammelbegriff Radeinheit bezeichneten Radpaaren oder Radsätzen in Gleisbögen bekannt,, die passive oder aktive Mittel aufweisen. Bei einer aktiven Steuerung werden die Radeinheiten nach dem Bogenradius ausgerichtet und festgehalten. Diese Vorrichtungen lenken die- Radeinheit in festem Verhältnis zum Bogenradius und erreichen eine Egalisierung der Summen der an den Radeinheiten eines Fahrwerks oder Fahrzeugs wirkenden Querkräfte höchstens für einen beschränkten Bereich. Nachteilig hierbei ist, dass die LaufStabilität nicht besser ist, als bei einem konventionellen Fahrwerk mit steifer Längsführung der Radeinheiten; bestenfalls wird keine Verschlechterung erreicht. Auch werden zur Sicherstellung der LaufStabilität mechanische Einrichtungen benötigt, beispielsweise Schlingerdämpfer oder Reibungs-Drehhemmungen. Diese können nur einen Kompromiss zwischen Bogengängigkeit und LaufStabilität darstellen und führen im allgemeinen zur Anregung von StrukturSchwingungen im Wagenkasten. Häufig sind zusätz- liehe Dämpfungselemente in der Radeinheitkopplung notwendig.
Die EP 0 785 123 Bl beschreibt Verfahren zur Gewinnung und Aufbereitung von Daten zur Spurführung von Fahrwerken aus Einzelradeinheiten. Bei einem dort offenbarten Verfahren werden die Wendebewegung des Fahrwerks als Winkel, Winkelgeschwindigkeit oder Winkelbeschleunigung kraftfrei mittels Winkelsensoren abgetastet, die gemessene Größe oder gemessenen Größen in ihre Frequenzanteile zerlegt, aus den Frequenzspektren herausragende Bewegungen nach Amplitude, Frequenz und Phasenlage als störend erkannt, der oder die so identifizierten Vektoren nach ihrer Phasendrehung von 180° und Aufbereitung einer Steuerung oder Regelung als Information zur Veränderung des Einstellwinkels des Fahrwerks zugeleitet und durch die Steuerung oder Regelung die störenden Bewegungsanteile aus der Fahrwerksbewegung ausgeblendet. Die Erfindung berücksichtigt nicht die Querkraft zwischen dem Radpaar bzw. Radsatz und dem Gleis.
Aus der EP 0 374 290 Bl ist ein Schienenf hrzeug bekannt, welches beidseitig entlang der Fahrzeuglängsachse eine vorgebbare Zahl von Einzelrädern umfasst, die durch Lenkung schwenkbar sind. Eine spurfehlerfreie Lenkung jedes Einzelrades in Kurvenbereiche soll dadurch erreicht werden, dass eine Schienenverlauf-Messeinrichtung vorgesehen ist, die die Abweichung einer Fahrzeugachse vom Verlauf der Schienen misst und die abhängig von der gemessenen Abweichung ein Lenksignal für jedes Einzelrad unabhängig vom jeweils anderen erzeugt. Als Schienenverlauf- Messeinrichtung sind berührungslos arbeitende Systeme auf opto-elektronischer oder magnetischer bzw. elektromagne- tischer Basis vorgeschlagen. Die Erfindung ist nicht auf Fahrzeuge mit Radpaaren oder Radsätzen anwendbar.
Die japanische Gruppe von Anmeldungen JP A 06199236, JP A 07081564 und JP A 07081565 beschreibt eine Beeinflussung des Wellen- oder Sinuslaufs durch hydraulische Aktuatoren zwischen Drehgestellrahmen und Radsatzlager. Sie beruht auf der Identifikation der Frequenz des Wellenlaufs in einem Spektrum der aufgenommenen translatorischen oder Gier-Vibrationen, wozu mindestens acht Sensoren pro Drehgestell sowie eine längere Datensammlung mit anschließender Frequenzanalyse erforderlich sind.
Nachteilig bei allen bisherigen Verfahren und Vorrichtungen für die Beeinflussung des Laufverhaltens von Radeinheiten ist, dass diese lediglich dazu dienen,
1. in Kurvenfahrten, d. h. bei Fahrten in Gleisbögen durch Lenken die entsprechende Spurführung zu bewerkstelligen, und/oder
2. die Frequenz des Wellenlaufs zu bestimmen und mit gleicher Frequenz zu beeinflussen, wozu eine Fourier- Transformation erforderlich ist, welche einen Zeitverlust gegenüber sich rasch ändernden Profilparametern im Rad-Schiene-Kontakt bedeutet,
jedoch nicht stabilisierend auf die Radsätze bzw. Radpaare im Sinne einer Echtzeit-Reaktion auf die momentane Be- lastungs- und Bewegungssituation zu wirken, die sich rasch ändern können. Auf gerader Strecke leisten diese Maßnahmen daher allenfalls einen sehr begrenzten Beitrag zur Verbesserung der Spurführung. Aufgabe der Erfindung ist es, die beschriebenen Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen und insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zur aktiven Radialsteuerung von Radeinheiten von Fahrzeugen vorzuschlagen, die eine sichere, verschleißarme und komfortable Führung des Fahrzeuges, insbesondere bei Geradeausfahrt, aber auch bei Kurvenfahrt gewährleisten. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, unerwünschte, störende Bewegungen der Räder unmittelbar durch geeignete Stabilisierungsmaßnahmen auszuschalten, ohne dass hierzu eine längere Datensammlung für eine Frequenzanalyse vonnδten wäre, die den Echtzeit-Effekt zunichte macht. Störungsfrei auf Schienen abrollende Räder sind leise. Außerdem reduziert sich der Verschleiß an Rädern und Schienen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 16 gelöst.
Zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur aktiven Radialsteuerung der Räder wenigstens einer Radeinheit eines Fahrwerks besteht in einer integrierten Regelung, die - im Falle von Drehgestellen vorzugsweise rein fahrwerksin- tern, d. h. ohne mechanische Wirkverbindung zum Wagenkasten - der Radeinheit in mindestens zwei, nicht identischen Frequenzbereichen Stellbewegungen aufprägt. Dabei werden der Radeinheit erste Stellbewegungen in einem ersten Frequenzbereich und zweite Stellbewegungen in einem vom ersten Frequenzbereich verschiedenen zweiten Frequenzbereich überlagert aufgeprägt. Vorzugsweise erfolgt dabei durch die Stellbewegungen in dem zweiten Frequenzbereich eine Regelung der Laufstabilität des Fahrzeugs.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur aktiven Radialsteuerung wenigstens einer - gegebenenfalls in einem Drehgestell oder dergleichen angeordneten - Radeinheit eines Fahrzeugs umfasst mindestens eine mit der Radeinheit verbundene Stelleinrichtung zum Aufprägen von Stellbewegungen auf die Radeinheit und eine mit der Stelleinrichtung verbundene Regelungseinrichtung zum Ansteuern der Stelleinrichtung. Die Stelleinrichtung dient dabei insbesondere zum Aufprägen einer Rotation um die Hochachse und zusätzlich oder alternativ einer Translation in Querrichtung auf die Radeinheit. Die Regelungseinrichtung ist erfindungsgemäß zur Ansteuerung der Stelleinrichtung derart ausgebildet, dass die Stelleinrichtung der Radeinheit in einem ersten Frequenzbereich erste Stellbewegungen zur Erzeugung quasistatischer Auslenkungen der Radeinheit entsprechend dem Bogenradius eines aktuell zu durchfahrenden Fahrwegsegments aufprägt. Weiterhin ist sie zur Ansteuerung der Stelleinrichtung nach Art einer Stabili- täts-Regelung derart ausgebildet, dass der Radeinheit in einem vom ersten Frequenzbereich verschiedenen zweiten Frequenzbereich den ersten Stellbewegungen überlagerte zweite Stellbewegungen aufgeprägt werden, die zur Erzeugung von Auslenkungen der Radeinheit zur Stabilisierung des Fahrzeuglaufs dienen.
Die Stelleinrichtung, die als einfacher Stellantrieb ausgebildet sein kann erzeugt mit anderen Worten Auslenkungen und Kräfte entsprechend den Vorgaben der Regeleinrichtung und bewirkt so eine Drehung der Radeinheit, also eines Radpaares oder Radsatzes, um die Hochachse und zu- sätzlich oder alternativ eine Translation der Radeinheit in Querrichtung. Die Stelleinrichtung, also beispielsweise- der Stellantrieb, ist erfindungsgemäß so ausgeführt, dass sie quasistatische Auslenkungen und Kräfte entsprechend dem Bogenradius eines zu durchfahrenden Streckensegments, beispielsweise eines Gleisbogens, erzeugt und Auslenkungen und Kräfte mit anderer, in der Regel höherer Frequenz zur Stabilisierung des Fahrzeuglaufs sowohl beim Befahren eines Bogens als auch bei Geradeauslauf überlagert. Eine besonders gute Einstellung der Querkräfte sowie eine besonders wirkungsvolle Stabilisierung lässt sich dabei erzielen, wenn mehrere, vorzugsweise alle Radeinheiten des Fahrzeugs über die erfindungsgemäße Radialsteuerung angesteuert werden.
Es versteht sich, dass es sich bei der Frequenz der ersten und zweiten Stellbewegungen nicht um eine fest vorgegebene Frequenz sondern jeweils um eine sich zeitlich ändernde Frequenz handelt, welche letztlich durch den aktuellen Bewegungszustand des Fahrzeugs, insbesondere also durch die momentane Geschwindigkeit des Fahrzeugs und den aktuell befahrenen Streckenabschnitt vorgegeben wird.
Bei vorteilhaften Varianten des erfindungsgemäße Verfahrens umfasst der zweite Frequenzbereich Frequenzen, die zumindest teilweise höher liegen als Frequenzen aus dem ersten Frequenzbereich. Vorzugsweise liegt der zweite Frequenzbereich oberhalb des ersten Frequenzbereichs. Weiter vorzugsweise schließt sich der zweite Frequenzbereich an den ersten Frequenzbereich an. Bevorzugte Werte für den ersten Frequenzbereich liegen dabei zwischen 0 Hz und 3 Hz, während der zweite Frequenzbereich zwischen 0 Hz und 10 Hz, vorzugsweise zwischen 3 Hz und 10 Hz liegt. Ein Vorteil der Erfindung besteht in der Gewährleistung der genauen Einstellung von Radeinheiten in Gleisbögen, so dass die Summe der im Rad-Schiene-Kontakt übertragenen Querkräfte aller Radeinheiten eines Drehgestells unter allen Betriebsbedingungen gleich ist. Mit anderen Worten kann so erreicht werden, dass die jeweilige Resultierende aus den Querkräften, die auf den jeweiligen Radsatz einwirken, so eingestellt wird, dass die auf die einzelnen Radeinheiten eines Drehgestells einwirkenden Resultierenden zumindest betragsweise im wesentlichen gleich sind.
Weiterhin ist die Stabilität des Laufs aller Radeinheiten sowohl bei Fahrt im geraden Gleis als auch in Gleisbögen gewährleistet. Die Einstellung ist im Bogen auch bei hohen Zugkräften und ungünstigen Rad-Schiene-Parametern möglich. Bei vorteilhaften Varianten der Erfindung ist daher vorgesehen, dass bei Bogenfahrt durch die Stellbewegungen in dem ersten Frequenzbereich eine quasistatische Einstellung der Räder der Radeinheit derart erfolgt, dass eine Egalisierung der Summen der an den Rädern der Radeinheiten des Fahrwerks wirkenden Querkräfte erfolgt. Mit anderen Worten wirkt auf jede Radeinheit jeweils eine Querkraftresultierende, zumindest deren Betrag im wesentlichen demjenigen der auf die anderen Radeinheiten einwirkenden Querkraftresultierenden entspricht .
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass sie es gestattet, durch entsprechende Einstellungen und Algorithmen spezielle Querkraftverteilungen zwischen den Radeinheiten zu erreichen und/oder spezielle Verschleißbedingungen zwischen Rad und Schiene an den Radeinheiten des Fahrwerks bzw. Fahrzeugs zu provozieren, um das Lauf- verhalten z. B. speziellen Betriebs- und/oder Instandhai- tungsbedingungen optimal anzupassen. So kann für das ein- zelne Rad eine gezielte Verteilung des Verschleißes, also beispielsweise ein vorgegebenes Verschleißbild, provoziert werden, um die Entwicklung der Rad-Schiene- Profilpaarung zu kontrollieren. Bei weiteren bevorzugten Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist daher vorgesehen, dass bei Bogenfahrt durch die Stellbewegungen in dem ersten Frequenzbereich eine quasistatische Einstellung der Räder der Radeinheit derart erfolgt, dass sich eine Verteilung der an den Rädern der Radeinheiten des Fahrwerks wirkenden Querkräfte ergibt, bei der das Fahrverhalten vorgebbaren Betriebs- und Instandhaltungs- bedingungen angepasst ist .
Zusätzlich ist eine Diagnose der korrekten Funktion aller Komponenten einer gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitenden Vorrichtung durch Überwachung der LaufStabilität und der Einstellung der jeweiligen Radeinheit möglich.
Bevorzugte Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnen sich dadurch aus, dass durch die zweiten Stell- bewegungen in dem zweiten Frequenzbereich eine Regelung der LaufStabilität des Fahrzeugs erfolgt. Vorzugsweise geschieht dies, indem im Zuge der Regelung aus den gemessenen Momentanwerten einer oder mehrerer Zustandsgrδßen des Systems eine Darstellung des momentanen Zustands des mechanischen Systems ermittelt, beispielsweise in Form einer entsprechenden Stabilitätsmatrix. Hierbei werden natürlich auch die Variabilitäten der die Stellbewegungen erzeugenden Stelleinrichtungen berücksichtigt . Zu den Zu- standsgrößen gehören u. a. die Geschwindigkeit und die Beschleunigung der Radeinheit in Querrichtung, d. h. quer zur Fahrzeuglängsrichtung, sowie die Geschwindigkeit und die Beschleunigung der Radeinheit um die Hochachse. Durch geeignete mathematische Algorithmen wird diese Darstellung des momentanen Zustands des mechanischen Systems auf ihre Stabilität hin überprüft. Im Falle der Instabilität werden die von den Stelleinrichtungen herrührenden variablen Parameter der Systembeschreibung in geeigneter Weise derart variiert, dass bzw. bis man ein stabiles System erhält. Die so erhaltenen "stabilen" Momentanwerte für die von den Stelleinrichtungen herrührenden variablen Parameter werden dann zur Erzeugung der Steuersignale für die jeweilige Stelleinrichtung herangezogen, um über die Stelleinrichtungen auf einen stabilen Systemzustand hinzuwirken. Anders als bei bekannten Verfahren zu Stabilitätsregelung, bei denen eine Messwertaufnähme über längere Zeit und eine Analyse dieser Messreihen (beispielsweise mittels Fourier-Transformation) erforderlich ist, ist hierdurch eine schnelle, unmittelbare und wirksame Stabilisierung des Systems gewährleistet.
Damit erlaubt die erfindungsgemäße Lösung den Verzicht auf mechanische Stabilisierungseinrichtungen zwischen Fahrwerk und Wagenkasten für das Laufverhalten wie z . B . Schlingerdämpfer oder Reibungs-Drehhemmungen. Auch auf Dämpfungselemente in der Kopplung der Radeinheiten, insbesondere im Koppelgestänge kann verzichtet werden. Weiterhin vorteilhaft sind die Minimierung des Anlaufwinkels und damit der Gleisbelastung und die Minimierung bzw. Optimierung des Verschleißes an Rad und Schiene. Es wird ein stabiler Fahrzeuglauf über den ganzen Geschwindigkeitsbereich, auch bei hohen Geschwindigkeiten erreicht. Durch das Fehlen eines Koppelgestänges zwischen den Radeinheiten und zum Wagenkasten kann es auch, neben dem einfacheren mechanischen Aufbau, nicht zu einer Übertragung von Körperschall und Vibrationen durch diese Koppele1ernente kommen. Vorzugsweise ist die integrierte Regelung bei einem Fahrzeug mit einem ein Drehgestell umfassenden Fahrwerk derart ausgebildet, dass sie f hrwerksintern ohne mechanische Wirkverbindung zum Wagenkasten wirkt, um so wie eben bereits angedeutet neben dem einfacheren mechanischen Aufbau eine Übertragung von Körperschall und Vibrationen durch Koppelelemente zum Wagenkasten zu vermeiden. Es versteht sich, dass die Einrichtung zur Signalverarbeitung oder dergleichen dabei natürlich auch im bzw. am Wagenkasten angeordnet sein kann, diese jedoch dann lediglich über entsprechende Steuerleitungen, wie Kabel oder dergleichen, mit den Wirkelementen der Stelleinrichtung verbunden sein kann.
Bei vorteilhaften Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die Regelung wenigstens eine schnell reagierende Stelleinrichtung, beispielsweise einen schnell reagierenden Stellantrieb, ansteuert, welcher die Winkellage der Radeinheit relativ zum Fahrwerksrahmen oder Wagenkasten einstellt, um so beispielsweise eine optimale radiale Ausrichtung der Radeinheit bezüglich eines Gleisbogens zu erzielen.
Bei weiteren bevorzugten Varianten ist vorgesehen, dass durch die Stellbewegungen der Relativwinkel zwischen Au- ßenradeinheiten eines Fahrzeugs mit mindestens zwei Radeinheiten geregelt wird, um so eine optimale Ausrichtung der Radeinheiten des Fahrzeugs beispielsweise im Gleisbogen erzielen zu können.
Für -die Regelung können grundsätzlich beliebige Eingangsgrößen verwendet werden, welche einzeln oder in Kombination Rückschlüsse auf den aktuellen Zustand, insbesondere den aktuellen Bewegungszustand des Fahrzeugs und/oder der Radeinheit zulassen. Bevorzugt erfolgt die Regelung der Stellung der Radeinheit in Abhängigkeit von dem Bogenradius und/oder der Fahrgeschwindigkeit und/oder unausgeglichener Querbeschleunigung und/oder dem Reibwert und/oder den Profilparametern zwischen Rad und Schiene.
Weiter vorzugsweise werden für das Regelungsverfahren der ermittelte Querweg mindestens einer Radeinheit gegenüber dem Drehgestellrahmen oder Wagenkasten, der ermittelte Gierwinkel mindestens einer Radeinheit gegenüber dem Drehgestellrahmen oder Wagenkasten herangezogen. Ebenso können zusätzliche oder alternativ der ermittelte Stellweg bzw. Stellwinkel mindestens einer Stelleinrichtung oder die ermittelten Stellkräfte mindestens einer Stelleinrichtung herangezogen werden. Ebenso können die ermittelte Fahrgeschwindigkeit, die ermittelte Geschwindigkeit oder Beschleunigung der Radeinheit in Querrichtung oder die ermittelte Giergeschwindigkeit oder Gierbeschleunigung der Radeinheit verwendet werden. Schließlich kann zusätzlich oder alternativ auch der Bogenradius des Fahrweges herangezogen werden.
Die Stelleinrichtung kann grundsätzlich beliebig ausgestaltet sein, um die entsprechenden Stellbewegungen zu erzielen. Grundsätzlich kann vorgesehen sein, dass die ersten und zweiten Stellbewegungen durch eine einzige Stelleinrichtung erzeugt werden. Hierbei ist dann lediglich vorzusehen, dass die Stelleinrichtung ausreichend schnell reagierend ausgebildet ist, um die zweiten Stell- bewegungen in dem zweiten Frequenzbereich zu erzeugen. Es versteht sich natürlich auch, dass für die Erzeugung der ersten und zweiten Stellbewegungen unterschiedliche Stelleinrichtungen vorgesehen sein können. Vorzugsweise ist die Stelleinrichtung als elektrischer, hydraulischer oder pneumatischer Stellantrieb ausgebildet.
Die Anzahl und Anordnung der Stelleinrichtungen kann grundsätzlich beliebig gewählt werden. Es uss lediglich sichergestellt sein, dass die entsprechenden Stellbewegungen zuverlässig erzeugt werden können. Bei bevorzugten Varianten der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass pro Rad der Radeinheit und zusätzlich oder alternativ pro Radlager der Radeinheit und weiterhin zusätzlich oder alternativ pro gekoppelten Rädern der Radeinheit mindestens eine Stelleinrichtung vorgesehen ist .
Die Kopplung zwischen der Stelleinrichtung und der Radeinheit kann grundsätzlich beliebig ausgestaltet sein. Bei vorteilhaften Varianten der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann zwischen der Stelleinrichtung und dem Rad oder Radlager der Radeinheit ein Getriebe angeordnet sein, um so mit einfachen Stelleinrichtungen in einfacher Weise die Stellbewegungen bzw. Stellkräfte gewünschter Höhe zu erzeugen.
Die Wirkungsweise, insbesondere die Wirkbewegung der Stelleinrichtung kann an die erforderliche Stellbewegung angepasst sein. Ist beispielsweise eine lineare Stellbewegung erforderlich oder gewünscht, so ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Stelleinrichtung eine lineare Wirkbewegung aufweist. Ist hingegen eine rotatorische Stellbewegung erforderlich bzw. gewünscht, so ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Stelleinrichtung eine rotatorische Wirkbewegung aufweist. Die Anordnung der Stelleinrichtung kann grundsätzlich beliebig in Abhängigkeit von der gewünschten Kopplung zwischen den einzelnen Radeinheiten erfolgen. So kann die Stelleinrichtung zwischen den Rädern unterschiedlicher Fahrzeugseiten angeordnet sein, während sie auch auf einer Fahrzeugseite, insbesondere zwischen Rädern einer Fahrzeugseite angeordnet sein kann.
Um auch bei dem Ausfall einzelner Stelleinrichtungen einen zuverlässigen Betrieb sicherzustellen, ist bei bevorzugten Varianten der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen, dass zur Schaffung einer Redundanz mehrere Stelleinrichtungen kombiniert werden, welche dann in vorteilhafter Weise zu Erzeugung ein und derselben Stellbewegungen dienen und diese auch bei Ausfall der anderen Stelleinrichtung bzw. Stelleinrichtungen jeweils für sich alleine erzeugen können.
Die Erfindung wird anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele nachfolgend näher erläutert. Es zeigen schematisch und nicht maßstäblich
Fig. 1 ein selbstlenkendes, dreiachsiges Fahrwerk bzw. Fahrzeug,
Fig. 2 ein zweiachsiges Fahrwerk bzw. Fahrzeug, und
Fig. 3 bis 7 jeweils ein Radpaar bzw. einen Radsatz eines Fahrwerks oder Fahrzeugs mit aktiver Radial- Steuerung in unterschiedlichen Ausführungen.
Fig. 1 zeigt ein dreiachsiges Fahrwerk 1 für ein Schienenfahrzeug, z.B. ein dreiachsiges Drehgestell oder drei am Wagenkasten angebrachte gekoppelte Radeinheiten in Form von Radsätzen oder Radpaaren. Dieses weist einen in der Fig. nicht dargestellten, aus Längs- und Querträgern bestehenden Drehgestell- oder Wagenkastenrahmen auf. An den Längsträgern sind Radlagergehäuse 2 bis 7 der drei Radeinheiten 8, 9, 10 über nicht dargestellte Federelemente befestigt, und zwar Radlagergehäuse 2, 3 für die erste Radeinheit 8 (Außenradeinheit) , Radlagergehäuse 4, 5 für die zweite Radeinheit 9 (Mittelradeinheit) und Radlagergehäuse 6, 7 für die dritte Radeinheit 10 (Außenradeinheit) . Die Radeinheiten 8, 9, 10 umfassen Räder 11. Die Radeinheiten 8# 9, 10 können durch nicht dargestellte Antriebsmotoren, beispielsweise Tatzlager- oder Gestellmotoren, angetrieben werden.
Die Radlagergehäuse 2 , 3, 6, 7 der beiden Außenradeinhei- ten 8, 10 sind unter anderem in Fahrtrichtung bzw. entgegengesetzt zur Fahrtrichtung des Schienenfahrzeugs beweglich, was durch Richtungspfeile xl, x2 angedeutet ist. Die Radlagergehäuse 4, 5 der Mittelradeinheit 9 sind unter anderem senkrecht zur Fahrtrichtung des Schienenfahrzeugs beweglich, was durch Richtungspfeile yl, y2 angedeutet ist.
Die Radlagergehäuse 2 , 3, 4, 5, 6, 7 sind jeweils nur auf derselben Fahrwerksseite über Lenkerstangen-Drehhebel- Konfigurationen gekoppelt.
Eine schräge Lenkerstange 12 ist zwischen einem Gelenk 13 eines Winkelhebels 14 und einem Gelenk 15 des Radlagergehäuses 3 angeordnet . Der Winkelhebel 14 hat eine rahmenfeste Drehachse 16 und ist über Gelenk 17 über seinen zweiten Arm mit der Stirnseite des Radlagers 5 der Mittelradeinheit 9 verbunden.
Dem Radlagergehäuse 7 ist ein Drehhebel 18 mit rahmenfester zentrischer Drehachse 19 zugeordnet, wobei die zum Radlagergehäuse 7 führende Lenkerstange 20 am ersten Gelenk 21 dieses Drehhebels 18 angreift und das zweite Gelenk 22 dieses Drehhebels 18 mit einer Lenkerstange 23 verbunden ist, die andererseits zum bereits erwähnten Gelenk 13 des Winkelhebels 14 führt.
In diesem Ausführungsbeispiel sind die Kopplungen der Radlagergehäuse 3, 5, 7 der einen Fahrwerksseite symmetrisch zur Längsachse des Schienenfahrzeugs auch bei den Radlagergehäusen 2, 4, 6 der anderen Fahrwerksseite realisiert .
Eine schräge Lenkerstange 24 ist zwischen einem Gelenk 25 eines Winkelhebels 26 und Gelenk 27 des Radlagergehäuses 2 angeordnet .
Der Winkelhebel 26 hat eine rahmenfeste Drehachse 28 und ist über Gelenk 29 über seinen zweiten Arm mit der Stirnseite des Radlagers 4 der Mittelradeinheit 9 verbunden.
Dem Radlagergehäuse 6 ist ein Drehhebel 30 mit rahmenfester zentrischer Drehachse 31 zugeordnet, wobei die zum Radlagergehäuse 6 führende LenkerStange 32 am ersten Gelenk 33 dieses Drehhebels 30 angreift und das zweite Gelenk 34 dieses Drehhebels 30 mit einer Lenkerstange 35 verbunden ist, die andererseits zum bereits erwähnten Gelenk 25 des Winkelhebels 26 führt.
Zur Erzeugung der ersten und zweiten Stellbewegungen an den Radeinheiten 8, 9 und 10 sind eine Reihe von Stelleinheiten in Form von einfachen Stellantrieben vorgesehen, deren Anordnung und Wirkung im Folgenden beschrieben wird.
Am Radlagergehäuse 2 ist ein linearer, in Fahrtrichtung bzw. entgegen der Fahrtrichtung (xl, x2) wirkender Stellantrieb 36 angeordnet.
Am Radlagergehäuse 4 ist ein linearer, senkrecht zur Fahrtrichtung (yl, y2) wirkender Stellantrieb 37 angeordnet. Alternativ oder in Kombination ist in Fig. 1 ein ro- tatorisch wirkender Stellantrieb 38 angeordnet, der eine Drehung um die Drehachse 28 bewirkt.
Am Radlagergehäuse 6 ist ein linearer, in Fahrtrichtung bzw. entgegen der Fahrtrichtung (xl, x2) wirkender Stellantrieb 39 angeordnet. Alternativ oder in Kombination ist in Fig. 1 ein linearer, in Fahrtrichtung bzw. entgegen der Fahrtrichtung (xl, x2) wirkender Stellantrieb 40 am Gelenk 33 des Drehhebels 30 sowie ein rotatorisch wirkender Stellantrieb 41 angeordnet. Der Stellantrieb 41 bewirkt eine Drehung um die Drehachse 31.
Die Stellantriebe 36 bis 41 können wahlweise einzeln oder in Kombination verwendet werden. Bei der Kombination mehrerer Stellantriebe 36 bis 41 wird dadurch eine Redundanz geschaffen, so dass bei Ausfall eines oder mehrerer Stel- lantriebe 36 bis 41 die anderen, nicht ausgefallenen dessen bzw. deren Funktion zumindest teilweise übernehmen.
Das erfindungsgemäße Verfahren besteht in einer integrierten Regelung, die fahrwerksintern, d. h. ohne mechanische Wirkverbindung zum Wagenkasten, simultan bzw. integriert in mindestens zwei Frequenzbereichen erfolgt .
In einem ersten Frequenzbereich erfolgt eine quasistatische Einstellung der Radeinheiten 8, 9, 10 in Gleisbögen unter Egalisierung der Summen der an den Radeinheiten 8, 9, 10 des Fahrwerks bzw. Fahrzeugs wirkenden Querkräfte. An jeder Radeinheit wirkt mit anderen Worten eine Quer- kraftresultierende, die den Querkraftresultierenden an den anderen Radeinheiten zumindest betragsweise entspricht .
In einem zweiten Frequenzbereich erfolgt die Regelung der LaufStabilität, wie sie oben bereits beschrieben wurde.
So wird aus gemessenen Momentanwerten einer oder mehrerer im Folgenden noch näher spezifizierten Zustandsgrößen des Systems eine Darstellung des momentanen Zustands des mechanischen Systems ermittelt. Dies geschieht beispielsweise in Form einer entsprechenden Stabilitätsmatrix. Diese Matrix wird zum einen durch die nicht veränderbaren mechanischen Parameter der nicht aktiv ansteuerbaren Elemente des Systems, wie beispielsweise Federn etc., beein- flusst. Ebenso fließen in die Ermittlung dieser Matrix jedoch auch die variablen Parameter der Stellantriebe ein.
Durch geeignete mathematische Algorithmen wird diese momentane Stabilitätsmatrix auf ihre Stabilität hin über- prüft. Im Falle der Instabilität werden die von den Stellantrieben herrührenden, aktiv beeinflussbaren variablen Parameter der Systembeschreibung in geeigneter Weise derart variiert, dass bzw. bis sich eine stabile Stabilitätsmatrix ergibt, d. h. man ein stabiles System erhält. Die so erhaltenen "stabilen" Momentanwerte für die von den Stellantrieben herrührenden variablen Parameter werden dann zur Erzeugung der Steuersignale für den jeweiligen Stellantrieb herangezogen. So kann über die Stellantriebe schnell, einfach und wirksam auf einen stabilen Systemzustand hingewirkt werden. Anders als bei bekannten Verfahren zu Stabilitätsregelung ist hier keine Messwertaufnahme über längere Zeit und eine Analyse dieser Messreihen (beispielsweise mittels Fourier- Transformation) erforderlich, mit der nur eine zeitverzögerte Reaktion auf den aktuellen Bewegungszustand des Systems möglich ist.
Zu den oben genannten Zustandsgrößen gehören u. a. die Geschwindigkeit und die Beschleunigung der Radeinheit in Querrichtung, d. h. quer zur Fahrzeuglängsrichtung, sowie die Geschwindigkeit und die Beschleunigung der Radeinheit um die Hochachse . Je nach dem gewählten Regelungskonzept wird wenigstens eine dieser gemessenen Zustandsgrößen oder eine Kombination dieser gemessenen Zustandsgrößen für die oben beschriebene Stabilitätsregelung herangezogen.
Der zweite Frequenzbereich umfasst Frequenzen, die zumindest teilweise höher liegen als Frequenzen aus dem ersten Frequenzbereich. Diese Regelung steuert schnell reagierende Stellantriebe 36 bis 41 an, welche die Winkellage der Radeinheiten 8 und 10 bzw. die Querverschiebung der Radeinheit 9 relativ zum Rahmen einstellen.
In diesem Ausführungsbeispiel wird der Relativwinkel zwischen den Außenradeinheiten 8, 10 sowie die Querverschiebung der Mittelradeinheit 9 geregelt.
Alternativ oder in Kombination dazu können der oder die Absolutwinkel einer, mehrerer und/oder aller Radeinheiten 8, 9, 10 gegenüber einem Fahrwerksrahmen bzw. Wagenkasten geregelt werden.
Die Regelung der quasistatischen Einstellung der betreffenden Radeinheit 8, 9, 10 erfolgt in diesem Ausführungs- beispiel in Abhängigkeit allein vom Bogenradius des aktuell durchf hrenen Gleissegments. Der Bogenradius wird mit Hilfe der Messsignale von entsprechenden Sensoren, beispielsweise Querbeschleunigungs- und/oder Drehbeschleunigungssensoren, Drehgeschwindigkeitssensoren und/oder Quergeschwindigkeitssensoren bestimmt .
Alternativ dazu kann die Regelung der Stellung der betreffenden Radeinheit 8, 9, 10 in Abhängigkeit von Bogenradius, Fahrgeschwindigkeit, unausgeglichener Querbeschleunigung, Reibwert und/oder Profilparametern zwischen Laufrad 11 und Schiene erfolgen. Auch die Bestimmung dieser Größen wird mit einer entsprechenden Sensorik vollzogen.
Für das Regelungsverfahren können beispielsweise der Querweg einer jeden Radeinheit 8, 9, 10 gegenüber dem Rahmen, der Gierwinkel einer jeden Radeinheit 8, 9, 10 gegenüber dem Rahmen, der Stellweg bzw. Stellwinkel der Stellantriebe 36 bis 41, die Stellkräfte bzw. -momente der Stellantriebe 36 bis 41, die (absolute) Fahrgeschwindigkeit, die (absolute) Geschwindigkeit bzw. (absolute) Beschleunigung der Radeinheit in Querrichtung, die (absolute) Giergeschwindigkeit bzw. die (absolute) Gierbeschleunigung der Radeinheit, und/oder der Bogenradius mittels entsprechender Sensoren, beispielsweise Querbe- schleunigungs- und/oder Drehbeschleunigungssensoren, Drehgeschwindigkeitssensoren und/oder Quergeschwindigkeitssensoren herangezogen werden.
Eine Frequenzanalyse der Bewegungen der Radpaare bzw. Radsätze ist hierzu nicht erforderlich und unterbleibt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung beinhaltet eine - in Fig. 1 nicht dargestellte - mit den entsprechenden Steuereingängen der Stellantriebe 36 bis 41 verbundene Regelungseinrichtung. Diese dient sowohl zur quasistatischen Einstellung als auch zur Stabilitäts-Regelung der Radeinheiten 8, 9, 10 des Schienenfahrzeugs mit mindestens zwei, in diesem Ausführungsbeispiel drei Radeinheiten 8, 9, 10 oder eines Drehgestells eines Schienenfahrzeugs mit mindestens zwei Radeinheiten.
Die Stellantriebe 36 bis 41 erzeugen zum einen erste Stellbewegungen in Form von quasistatischen Auslenkungen und Kräfte entsprechend dem Bogenradius eines zu durchfahrenden Gleissegments, beispielsweise eines Bogens, und überlagern zweite Stellbewegungen in Form von Auslenkungen und Kräfte mit höherer Frequenz zur Stabilisierung des Fahrzeuglaufs sowohl beim Befahren eines Bogens als auch bei Geradeauslauf. Die Stellantriebe 36 bis 41 erzeugen Auslenkungen und Kräfte entsprechend den Vorgaben der Regelungseinrichtung.
Die Stellantriebe 36 bis 41 bewirken eine Drehung der Radeinheiten 8, 10 um die Hochachse und/oder eine Translation der Radeinheit 9 in Querrichtung.
Die Krafterzeugung in den Stellantrieben 36 bis 41 erfolgt elektrisch, hydraulisch, pneumatisch oder durch eine Kombination aus diesen Verfahren.
Auf einer Fahrwerksseite ist pro Rad 11 bzw. Radlager der Radeinheit 8, 9, 10, wie in diesem Ausführungsbeispiel, mindestens ein Stellantrieb 36 bis 41 vorgesehen.
Ein Stellantrieb 36 bis 41 wirkt auf mindestens zwei Räder, die miteinander gekoppelt sind. Die Kopplung kann, wie in diesem Ausführungsbeispiel zwischen einem Rad 11 und einem weiteren Rad 11 derselben Radeinheit 8, 9, 10 oder dem Rad einer anderen Radeinheit auf derselben oder gegenüberliegenden Fahrzeugseite angeordnet sein.
Die Übertragung der Kraft oder des Momentes der Stellantriebe 36 bis 41 erfolgt direkt oder unter Zwischenschaltung eines Getriebes.
Die Wirkbewegung der Stellantriebe 36, 37, 39, 40 ist in diesem Ausführungsbeispiel linear. Die Stellantriebe 36, 37, 39, 40 können gleichzeitig die Funktion einer Lenkerstange übernehmen. Sie wirken zusätzlich zu einer eventuell vorhandenen passiven Kopplung und sind mit ihr über Hebel bzw. Lenker verbunden. Alternativ dazu kann der Stellantrieb rotatorisch wirken, wie dies im Ausführungsbeispiel für die Stellantriebe 38, 41 der Fall ist. Dann kann er gleichzeitig die Funktion eines Drehlagers übernehmen. Er wirkt zusätzlich zu einer eventuell vorhandenen passiven Kopplung und ist mit ihr über Hebel bzw. Lenker oder über eine Drehkopplung verbunden.
Fig. 2 zeigt ein Fahrwerk eines Schienentriebfahrzeuges . Dargestellt sind ein Drehgestell- oder Wagenkastenrahmen 50, zwei Radeinheiten 51, 52, mit Rädern 53 und Radlagergehäusen 54 bis 57. Die Radeinheiten 51, 52 sind mittels einer Drehwelle 58, Drehhebel 59, 60 und Lenkerstangen 61 radial steuerbar gelagert und mittels Primärfederelementen 62 mit dem Rahmen 50 verbunden.
Stellantriebe 63 bis 65 erzeugen erste Stellbewegungen in Form von quasistatischen Auslenkungen und Kräfte entsprechend dem Bogenradius eines zu durchfahrenden Fahrwegsegments, beispielsweise eines Gleisbogens, und überlagern zweite Stellbewegungen in Form von Auslenkungen und Kräfte mit höherer Frequenz zur Stabilisierung des Fahrzeuglaufs sowohl beim Befahren eines Bogens als auch bei Geradeauslauf .
Die Stellantriebe 63 bis 65 erzeugen Auslenkungen und Kräfte entsprechend den Vorgaben einer damit verbundenen - in Fig. 2 nicht dargestellten - erfindungsgemäßen Regelungseinrichtung .
Die Stellantriebe 63 bis 65 bewirken eine Drehung der Radeinheiten 51, 52 um die Hochachse. Die Krafterzeugung in den Stellantrieben 63 bis 65 erfolgt elektrisch, hydraulisch, pneumatisch oder durch eine Kombination aus diesen Verfahren.
Die Stellantriebe 63 bis 65 wirken in diesem Ausführungsbeispiel auf beide Radeinheiten 51, 52, da diese über die Drehwelle 58, die Drehhebel 59, 60 und die Lenkerstangen 61 gekoppelt sind. Der lineare Stellantrieb 63 ist an einem Gelenkpunkt 66 des Drehhebels 59 angeordnet. Der lineare Stellantrieb 64 ist am Radlagergehäuse 56 der Radeinheit 52 angeordnet. Der rotatorische Stellantrieb 65 ist am Drehhebel 59 angeordnet und bewirkt eine Drehung um eine horizontal verlaufende Drehachse 67.
Es können einer, mehrere oder alle der Stellantriebe 63 bis 65 vorgesehen sein. Kommen mehrere der Stellantriebe 63 bis 65 zum Einsatz, so ist es denkbar, dass bestimmte Stellantriebe für die Erzeugung der ersten Stellbewegungen, also die quasistatische Einstellung der Radeinheiten gemäß dem Gleisbogen (d.h. i. a. im niedrigeren Frequenzbereich) und andere für die Erzeugung der zweiten Stell- bewegungen, also die Stabilitätsregelung (d.h. i. a. im höheren Frequenzbereich) eingesetzt werden.
Bei der Kombination mehrerer Stellantriebe 63 bis 65 wird dadurch eine Redundanz geschaffen, so dass bei Ausfall eines oder mehrerer Stellantriebe 63 bis 65 die anderen, nicht ausgefallenen dessen bzw. deren Funktion zumindest teilweise übernehmen.
Die Drehwelle 58 kann entfallen; dafür wird in diesem Fall auf jeder Seite mindestens ein Stellantrieb der Art 63 bis 65 angeordnet. In einem ersten Frequenzbereich erfolgt eine quasistatische Einstellung der Radeinheiten 51, 52 in Gleisbögen unter Egalisierung der Summen der an den Radpaaren bzw. Radsätzen 51, 52 des Fahrwerks bzw. Fahrzeugs wirkenden Querkräfte. Mit anderen Worten wird erreicht, dass auf die jeweilige Radeinheit eine Querkraftresultierende wirkt, welche den auf die anderen Radeinheiten einwirkenden Querkraftresultierenden zumindest betragsmäßig entspricht .
In einem zweiten Frequenzbereich erfolgt die oben beschriebene Regelung der LaufStabilität . Der zweite Frequenzbereich umfasst dabei Frequenzen, die zumindest teilweise höher liegen als Frequenzen aus dem ersten Frequenzbereich. Die Regelungseinrichtung, mit der diese Regelung realisiert wird, steuert die schnell reagierenden Stellantriebe 63 bis 65 an, welche die Winkellage der Radeinheiten 51, 52 relativ zum Rahmen einstellen.
Auch in diesem Ausführungsbeispiel wird der Relativwinkel zwischen den Radeinheiten 51, 52 geregelt. Die Regelung der quasistatischen Einstellung der betreffenden Radeinheit 51, 52 erfolgt auch in diesem Ausführungsbeispiel in Abhängigkeit allein vom Bogenradius des zu durchfahrenden Fahrwegsegments .
In den Fig. 3 und 4 sind jeweils einzelne Radeinheiten von Fahrwerken bzw. Fahrzeugen mit aktiven Radialsteuerungen und unterschiedlichen Anordnungsmöglichkeiten von einem oder mehreren Stellantrieben 68 bis 76 dargestellt.
In Fig. 3 ist der lineare Stellantrieb 68 an einem Radlagergehäuse 77 angeordnet. Der lineare Stellantrieb 69 ist an einem Gelenk 78 am Ende eines Lenkbalkens 79 angeordnet. Das Gelenk 78 ist gleichzeitig über eine Lenkerstange 80 mit dem Radlagergehäuse 77 verbunden. Die Lenkerstange 80 ist um eine vertikale Drehachse 81, die die Mittellinie des Fahrzeugs schneidet, drehbar gelagert. An einem ebenfalls am Lenkbalken 79, außerhalb der Drehachse 81 angeordneten Gelenk 82 ist der lineare Stellantrieb 70 angeordnet. Der rotatorische Stellantrieb 71 ist am Drehpunkt 81 des Lenkbalkens 79 angeordnet. Der rotatorische Stellantrieb 72 ist über einen Drehhebel 83 und eine Lenkerstange 84 mit einem Gelenk 85 des Lenkbalkens 79 außerhalb der Drehachse 81 verbunden. Der Lenkbalken 79 ist über ein an seinem Ende angeordnetes Gelenk 86 und eine daran befestigte Lenkerstange 87 mit einem Radlagergehäuse 88 verbunden.
Der lineare, in Fahrtrichtung wirkende Stellantrieb 73 (Fig. 4) wirkt über ein Gelenk 89 mit einem Schenkel eines Winkelhebels 90 und eine Lenkerstange 91 auf ein Radlagergehäuse 92. Der Winkelhebel 90 ist um eine horizontale Drehachse 93 gelagert, an der ein rotatorischer Stellantrieb 76 angreift. Die linearen Stellantriebe 74, 75 wirken parallel auf einen Lenkbalken 94. Dies erfolgt über ein Gelenk 95 am Lenkbalken 94 bzw. ein Gelenk 96 eines Schenkels eines Winkelhebels 97. Der Winkelhebel 97 ist um eine vertikale Drehachse 98 gelagert und ist am anderen Ende über ein Gelenk, eine Lenkerstange 99 mit einem Radlagergehäuse 100 verbunden. Auch diese Stellantriebe 73 bis 76 sind einzeln oder in Kombination zur Redundanzerhöhung anwendbar. In den Fig. 5 bis 7 sind einzelne Radeinheiten eines Fahrwerks bzw. Fahrzeugs mit jeweils einem Stellantrieb 101, 102 dargestellt.
In Fig. 5 übernimmt der rotatorische Stellantrieb 101 gleichzeitig die Funktion der Kopplung der beiden Räder 103 über entsprechende Gelenke 104, an beiden Enden um 90° abgewinkelte und um ihre Längsachse drehbar gelagerte Drehwellen 105, Lenkerstangen 106 und Radlagergehäuse 107. Somit stellt der Stellantrieb 101 gleichzeitig beide Räder 103 entsprechend der Stabilitäts-Regelung und bewirkt eine Drehung der Räder 103 um die Hochachse. Mit anderen Worten erzeugt er gleichzeitig die ersten und zweiten Stellbewegungen.
In Fig. 6 sind zwei Räder 108 mit ihren zugehörigen Radlagergehäusen 109 über Lenkerstangen 110, Gelenke 111 und eine an beiden Enden in entgegengesetzter Richtung um 90° abgewinkelte und um ihre Längsachse drehbar gelagerte Drehwelle 112 gekoppelt . Zwischen den abgewinkelten Enden der Drehwelle 112 ist über ein Gelenk 113 und eine Lenkerstange 114 der rotatorische Stellantrieb 102 angeordnet, der die Drehwelle 112 um ihre Längsachse rotieren und damit die Räder 108 um die Hochachse drehen lässt.
Sowohl in der Abwandlung nach Fig. 5, als auch in der Abwandlung nach Fig. 6 können die Stellantriebe 101, 102 etwa mittig, zwischen den Rädern 103, 108 angeordnet werden. Der optimale Einbauort richtet sich nach dem Platzbedarf und der Gewichtsverteilung der einzelnen Komponenten. Fig. 7 zeigt eine weitere Abwandlung einer einzelnen Radeinheit mit gekoppelten Rädern 115. Die Kopplung erfolgt über Radlagergehäuse 116, daran angeordnete Lenkerstangen 117, 118, 119, Gelenke 120 und eine Drehwelle 121. Die Drehwelle 121 ist mittels am Rahmen befestigter Lager 122 drehbar um ihre Längsachse gelagert. An den Enden der Drehwelle 121 sind zur Verbindung mit den Lenkerstangen 118, 119 über Gelenke 120 Hebel 123 angeordnet. Die beiden Lenkerstangen 117, 119 sind mit einem rotato- rischen Stellantrieb 124 verbunden, der eine Drehung der Räder 115 um die Hochachse bewirkt. Der rotatorische Stellantrieb 124 kann somit seitlich des Rahmens angeordnet werden.

Claims

P A T E N T AN S P R Ü C H E
Verfahren zur aktiven RadialSteuerung der Räder. (11, 53, 103, 108, 115) wenigstens einer Radeinheit (8, 9, 10, 51, 52) eines Fahrwerks , insbesondere eines Fahrwerks eines Schienenfahrzeugs, bei dem der Radeinheit (8, 9, 10, 51, 52) Stellbewegungen aufgeprägt werden, dadurch gekennzeichnet, dass eine integrierte Regelung mit Stellbewegungen in mindestens zwei, nicht identischen Frequenzbereichen erfolgt, wobei der Radeinheit (8, 9, 10, 51, 52) erste Stellbewegungen in einem ersten Frequenzbereich und zweite Stellbewegungen in einem vom ersten Frequenzbereich verschiedenen zweiten Frequenzbereich überlagert aufgeprägt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die integrierte Regelung bei einem Fahrzeug mit einem ein Drehgestell umfassenden Fahrwerk derart ausgebildet ist, dass sie fahrwerksintern ohne mechanische Wirkverbindung zum Wagenkasten wirkt .
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, dass bei Bogenfahrt durch die Stellbewegungen in dem ersten Frequenzbereich eine quasistatische Einstellung der Räder (11, 53, 103, 108, 115) der Radeinheit (8, 9, 10, 51, 52) derart erfolgt, dass eine Egalisierung der Summen der an den Rädern (11, 53, 103, 108, 115) der Radeinheiten (8, 9, 10, 51, 52) des Fahrwerkswirkenden Querkräfte erfolgt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei Bogenfahrt durch die Stell- bewegungen in dem ersten Frequenzbereich eine quasi- statische Einstellung der Räder (11, 53, 103, 108, 115) der Radeinheit (8, 9, 10, 51, 52) derart erfolgt, dass sich eine Verteilung der an den Rädern (11, 53, 103, 108, 115) der Radeinheiten (8, 9, 10, 51, 52) des Fahrwerks wirkenden Querkräfte ergibt, bei der das Fahrverhalten vorgebbaren Betriebs- und Instandhaltungsbedingungen angepasst ist .
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Stellbewegungen in dem zweiten Frequenzbereich eine Regelung der Laufstabilität des Fahrzeugs erfolgt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Frequenzbereich Frequenzen u fasst, die zumindest teilweise höher liegen als Frequenzen aus dem ersten Frequenzbereich.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Frequenzbereich oberhalb des ersten Frequenzbereichs liegt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Frequenzbereich sich an den ersten Frequenzbereich anschließt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Frequenzbereich zwischen 0 Hz und 3 Hz liegt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Frequenzbereich zwischen 0 Hz und 10 Hz, vorzugsweise zwischen 3 Hz und 10 Hz liegt.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung wenigstens eine schnell reagierende Stelleinrichtung (36 bis 41, 63 bis 65, 68 bis 76, 101, 102, 124) ansteuert, welche die Winkellage der Radeinheit (8, 10, 51, 52) relativ zum Fahrwerksrahmen oder Wagenkasten einstellt.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Stellbewegungen der Relativwinkel zwischen Außenradeinheiten (8, 10, 51, 52) eines Fahrzeugs mit mindestens zwei Radeinheiten (8, 9, 10, 51, 52) geregelt wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Stellbewegungen der Absolutwinkel wenigstens einer Radeinheit (8, 9, 10, 51, 52) gegenüber einem Fahrwerksrahmen oder Wagenkasten geregelt wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung der Stellung der Radeinheit (8, 9, 10, 51, 52) in Abhängigkeit von dem Bogenradius und/oder der Fahrgeschwindigkeit und/oder unausgeglichener Querbeschleunigung und/oder dem Reibwert und/oder den Profilparametern zwischen Rad (11, 53, 103, 108, 115) und Schiene erfolgt .
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass für das Regelungsverfahren der ermittelte Querweg mindestens einer Radeinheit (8,
9, 10, 51, 52) gegenüber dem Drehgestellrahmen oder Wagenkasten, der ermittelte Gierwinkel mindestens einer Radeinheit (8, 9, 10, 51, 52) gegenüber dem Drehgestellrahmen oder Wagenkasten, der ermittelte Stellweg bzw. Stellwinkel mindestens einer Stelleinrichtung (36 bis 41, 63 bis 65, 68 bis 76, 101, 102, 124) , die ermittelten Stellkräfte mindestens einer Stelleinrichtung (36 bis 41, 63 bis 65, 68 bis 76, 101, 102, 124), die ermittelte Fahrgeschwindigkeit, die ermittelte Geschwindigkeit oder Beschleunigung der Radeinheit (8, 9, 10, 51, 52) in Querrichtung, die ermittelte Giergeschwindigkeit oder Gierbeschleunigung der Radeinheit (8, 9, 10, 51, 52) , und/oder der Bogenradius des Fahrweges herangezogen werden.
16. Vorrichtung zur aktiven Radialsteuerung wenigstens einer Radeinheit (8, 9, 10, 51, 52) eines Fahrzeugs, insbesondere zur Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 15, mit
- mindestens einer mit der Radeinheit (8, 9, 10, 51, 52) verbundenen Stelleinrichtung (36 bis 41, 63 bis 65, 68 bis 76, 101, 102, 124) zum Aufprägen von
Stellbewegungen auf die Radeinheit (8, 9, 10, 51, 52) , insbesondere zum Aufprägen einer Rotation um die Hochachse und/oder einer Translation in Querrichtung, - einer mit der Stelleinrichtung (36 bis 41, 63 bis 65, 68 bis 76, 101, 102, 124) verbundenen Regelungseinrichtung zum Ansteuern der Stelleinrichtung (36 bis 41, 63 bis 65, 68 bis 76, 101, 102, 124),
dadurch gekennzeichnet, dass die Regelungseinrichtung zur Ansteuerung der Stelleinrichtung (36 bis 41, 63 bis 65, 68 bis 76, 101, 102, 124) derart ausgebildet ist, dass die Stelleinrichtung (36 bis 41, 63 bis 65, 68 bis 76, 101, 102, 124) der Radeinheit (8, 9, 10, 51, 52)
- in einem ersten Frequenzbereich erste Stellbewegungen zur Erzeugung quasistatischer Auslenkungen . der Radeinheit (8, 9, 10, 51, 52) entsprechend dem Bogenradius eines aktuell zu durchfahrenden Fahrwegsegments aufprägt und
- in einem vom ersten Frequenzbereich verschiedenen zweiten Frequenzbereich den ersten Stellbewegungen überlagerte zweite Stellbewegungen zur Erzeugung von Auslenkungen der Radeinheit (8, 9, 10, 51, 52) zur Stabilisierung des Fahrzeuglaufs aufprägt.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Stelleinrichtung (36 bis 41, 63 bis 65, 68 bis 76, 101, 102, 124) als elektrischer, hydraulischer oder pneumatischer Stellantrieb (36 bis 41, 63 bis 65, 68 bis 76, 101, 102, 124) ausgebildet ist .
18. Vorrichtung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass pro Rad (11, 53, 103, 108, 115) der Radeinheit und/oder pro Radlager der Radeinheit (8, 9, 10, 51, 52) und/oder pro gekoppelten Rädern (11, 53, 103, 108, 115) der Radeinheit mindestens eine Stelleinrichtung (36 bis 41, 63 bis 65, 68 bis 76, 101, 102, 124) vorgesehen ist.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Räder (11, 103, 108, 115) miteinander gekoppelt sind.
20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei gekoppelte Räder (11, 53, 103, 108, 115) zu einer Radeinheit (8, 9, 10, 51,
52) gehören und/oder zwei gekoppelte Räder zu unterschiedlichen Radeinheiten gehören, wobei die gekoppelten Räder auf derselben oder gegenüberliegenden Fahrzeugseite angeordnet sind.
21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Stelleinrichtung (36 bis 41, 63 bis 65, 68 bis 76, 101, 102, 124) und dem Rad (11, 53, 103, 108, 115) oder Radlager der Radeinheit (8, 9, 10, 51, 52) ein Getriebe angeordnet ist .
22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Stelleinrichtung (36, 37, 39, 40, 63, 64, 68 bis 70) eine lineare Wirkbewegung aufweist.
23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Stelleinrichtung (38, 41, 65, 71, 72, 101, 102, 124) eine rotatorische Wirkbewegung aufweist.
24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Stelleinrichtung (71, 101, 102) zwischen den Rädern (11, 53, 103, 108, 115) unterschiedlicher Fahrzeugseiten angeordnet ist .
25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass eine Stelleinrichtung (36 bis 41, 63 bis 65, 68, 69, 72, 75, 76, 124) auf einer Fahrzeugseite, insbesondere zwischen Rädern (11, 53, 103, 108, 115) einer Fahrzeugseite angeordnet ist .
26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass zur Schaffung einer Redundanz mehrere Stelleinrichtungen (36 bis 41) kombiniert werden.
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