WO2020027681A1 - Dispositivo de guiamento ferroviário e o seu método de operar - Google Patents

Dispositivo de guiamento ferroviário e o seu método de operar Download PDF

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WO2020027681A1
WO2020027681A1 PCT/PT2019/050027 PT2019050027W WO2020027681A1 WO 2020027681 A1 WO2020027681 A1 WO 2020027681A1 PT 2019050027 W PT2019050027 W PT 2019050027W WO 2020027681 A1 WO2020027681 A1 WO 2020027681A1
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wheels
axle
guiding device
actuators
semi
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Inventor
José Maria Campos Da Silva ANDRÉ
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Instituto Superior Técnico
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    • 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
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • 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
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
    • B62D13/00—Steering specially adapted for trailers

Definitions

  • the present invention applies to axles of trains guided by actuators.
  • the reference application is a motor vehicle with only two axles, where the wheelbase substantially corresponds to the length of the vehicle.
  • the invention concerns compositions of any type, with any number of vehicles.
  • insulated axles with tapered wheels are subject to loop instability at low speed.
  • the classic solution is to associate the axes in pairs, in 'bogies'.
  • the design of the "bogies” exemplifies what is a typical engineering commitment, seeking to combine opposing requirements: if the longitudinal rigidity is too small, the "bogie” is unstable; if the stiffness is too great, the bogie is stable up to a higher speed, but at the expense of not being able to make tight turns.
  • a problem with the difference in the arches covered by the outer wheel and the inner wheel on a curve is related to the previous one. If the wheels are independent, an appropriate difference in rotation speed compensates for the difference in length of the arches, however, most trains have rigid axles. These three issues - (a) the taper of the wheel rims combined with the geometry of the head of the rail and the contact deformations, (b) the lateral clearance between the wheel and the rail and (c) the radial orientation of the axles - constitute ; together, a difficult challenge to solve.
  • the present invention replaces the conventional configuration of the bogies with a geo-referenced motorized guide device, with the aim of improving both the curve capacity and the dynamic stability of the train.
  • the georeferenced motorized guidance is based on the instantaneous longitudinal location of the train on the track.
  • all axes (6) are driven by actuators (7) linear, which can be hidráuli cos ⁇ , pneumatic or electrical, placed at both shaft ends (Fig. 3a).
  • a georeferenced control unit controls the stepper motor that drives the linear actuators (7), according to the local radius of curvature of the track: for this purpose, a database of curvatures would exist on board the train.
  • each linear actuator (7) at each end of the shaft, being constituted by a pair of similar (7-a) and (7-b) actuators, to provide some redundancy.
  • the stroke of the actuators can be limited by stroke limiters.
  • these limiters can operate in safety mode, which allows the assembly to guide correctly the axis even after the failure of an element of the pair.
  • Stroke limiters can be applied to the connection (26) instead of acting directly on the actuators.
  • the preferred solution for all axles, except the first, is to allow the wheels to rotate independently.
  • the first axle is different, in that it will often be useful to impose a certain difference in speed between the left wheel and the right wheel, of less than one rotation per second.
  • a new differential transmission is included in the present invention.
  • This new differential transmission is a symmetrical assembly of two satellite gears, engaged in a common wheel.
  • Figs. 5, 6 and 7 represent three simplified views of this transmission.
  • the differential transmission between the two axes contains a satellite arrangement of planetary gears (12), (17) and solar structures (20), (23) in which the teeth of solar structures and planetary gears can be replaced. by axially displaced friction wheels to change the gear ratio.
  • axles of the train consisting of one or more railway vehicles except for the first. If these axles, with the exception of the first, are fixedly connected with a zero yaw angle to the chassis (1) of the vehicle in front of them, the wheels (3) are naturally oriented by the chassis with a certain oversteer. That is, the axes tend to follow an interior path (path (5) in Fig. 2), closer to the center of the curve.
  • the lateral deviation between the rails (4) and the path (5) of the wheels (3) depends on the length L between the axles. As the train moves along a curve with a constant radius R, the deviation increases and tends to a limit value, called e.
  • all axes are guided by actuators (7) arranged at both ends of the axis (6) (Fig. 3-a).
  • These linear actuators can be ball screws ( «satellite roller screws»), driven by a stepper motor, with intermediate gears to multiply the torque.
  • a georeferenced control unit controls the stepper motor according to the local radius of curvature of the track: there would be a database of curvatures on board the train.
  • the guiding angle can be affected. If the nominal position of the actuators (7) is horizontal, a pure pitching or pure swinging movement does not change the guiding angle, but a combination of the two movements can give rise to a slight variation in the guiding angle. As this eventuality only occurs in specific places and has a characteristic time scale of several seconds, the control of the actuators may be programmed to counter this trend.
  • the preferred assembly consists of collinear wheels (as shown in Fig. 1 and Fig. 3-a), although the two wheels can rotate independently. This assembly applies to both driving wheels and free wheels. If the two axles of an axle are collinear (Figs. 1 and 3-a), the guiding angle that places the wheels in radial alignment is the same for both wheels on the same axle.
  • the two axes (8) of an axis can be non-collinear and guided independently (Fig. 3-b). If they are connected by an Ackermann joint (9) (Fig. 3-c), they behave similarly to collinear axes. As is known, these joints were invented in Kunststoff by Georg Lankensperger in 1817, but were known by the name of his agent Rudolph Ackermann who patented them in the United Kingdom in 1818. It should be noted that the geometry of an Ackerman connection suitable for a chassis properly inscribed on a curve (Fig. 3) does not have the geometric proportions of an Ackermann Standard joint, designed for vehicles where the rear axles are not guided. Instead of being guided together by a common joint, the two wheels (3) of the axle (Fig. 3-b) can be guided independently.
  • the actuator (7) at each end of the shaft, is a double actuator, consisting of a pair of actuators (7 — a) and (7 — b).
  • the pair's two actuators make the same effort and move at the same speed. Therefore, the lever (26), whose fulcrum guides one end of the shaft (6), moves uniformly in horizontal translation. Duplicating the actuators provides some redundancy. In the event that one of them blocks, the control of the other actuator doubles the displacement to impose the correct displacement on the lever fulcrum (26). If the actuator (7-a) blocks, control of the actuator (7-b) doubles the displacement; if it is the actuator (7-b) to block, the control of the actuator (7-a) doubles the displacement.
  • the stroke limiters (27) provide even more redundancy. When one element of the pair collapses, the other continues to hold one end of the lever (26), while the other end, on the side of the collapsed actuator, is marked by the stroke limiters. Another safety measure is to move the stroke limiter (27) of the damaged actuator towards the lever, to constrain the loose end of the lever. When restricting the movement of that end of the lever (26), the travel of the operational actuator may have to increase beyond the usual: in this case, the corresponding travel limiter moves to a position where this movement is wider. That is, in normal operation, the travel limiters (27) are fixed and immovable, with the amplitude of the movements of translation of the lever (26) to the course required by the curves of the line in which the train travels.
  • the georeferenced guidance described above can also be used on the first axle of the train, but this front axle needs some additional type of positional control.
  • georeferenced guidance provides practically ideal angular orientation of the axis, but the system needs a complement to correct lateral deviations.
  • the guidance angle is directly related to the second derivative of this function.
  • the axis path can be obtained by double integration of this second derivative. As is known, this procedure suffers an exponentially increasing error and, therefore, the simple guide- georeferenced front axle is not sufficient to properly align the axle on the track.
  • the two wheels should rotate in set.
  • the taper mechanism is more effective if the left wheel and the right wheel are connected. It is for this is useful to impose the correct speed difference between the left wheel and the right wheel.
  • the semi-axles (10) and semi-axles (19) of the right-hand wheel have bevel gears (11) and (18) driven by two sets of planetary gears (12) and (17).
  • the planetary gears (12) and (17) which can rotate freely around their axis, are mounted on ring structures (20) and (23), to form two planetary systems. These ring supports (20) and (23) can rotate slowly around the axis of the half-axes (10) and (19), as described below.
  • the semi-axes (10 ) and (19) run with a speed difference.
  • the ring (23), which supports the gear set (17) remains stationary: the gear (18) will rotate exactly at the speed of 1600 rpm in the direction of the arrows of Figs. 5 and 6. Therefore, the two semi-axles, (10) and (19), will run with a difference of 2 rpm.
  • a worm gear (21) or (24), as shown in Fig. 7.
  • the worm gear is self-locking.
  • Another practical way to rotate the rings is to build them as a kind of electrically controlled stepper motors.
  • Figure 1 Schematic view, in plan, of the guide angle at 3 ⁇ 4 , between the front wheels (2), or the rear wheels (3), and the chassis frame (1) of the vehicle.
  • FIG. 1 Plan view of the trajectories (5) followed by the four wheels of a vehicle, if the rear wheels (3) are not guided (that is, if they remain parallel to the longitudinal axis of the vehicle).
  • the chassis (1), the front wheels (2) and the rails (4) are also shown in the figure.
  • FIG. 3- a Plan view of the chassis (1) of a vehicle and one of its axles consisting of an axis (6) (Fig. 3- a), or consisting of two semi-axles (8) that are not collinear independently guided ( Fig. 3-b), or consisting of two non-collinear semi-axes guided together by an Ackermann joint (9) (Fig. 3- c).
  • the wheels (3) are also shown in the figure, as well as the actuators (7).
  • FIG. 5 Schematic of a transmission that introduces a speed difference between the two axles (10) and (19).
  • the bevel gears (11) and (18) are solidly connected to the semi-axles.
  • Figure 6 Schematic side view, similar to that of Fig. 5, with some parts removed for clarity.
  • a ring structure (20) holds a series of gears (12), in a solar-planetary assembly.
  • the outer face of the ring structure (20) is toothed and engages in a worm (21), driven by a stepper motor (22).
  • a ring structure (23) holds the series of gears (17), in a solar-planetary assembly.
  • the outer face of the ring structure (23) has a crown of teeth engaged in a worm gear (24), moved by the stepper motor (25).

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Abstract

Os eixos (6) ou semi-eixos (8) do chassis (1) são guiados por atuadores (7) lineares de acordo com o raio conhecido da via, guardado na memória do computador em função da coordenada longitudinal da via. As duas rodas (3) de um eixo podem rodar independentemente, solução preferida para todas as rodas, exceto as do primeiro eixo, ou podem rodar solidariamente. Nesta última alternativa, preferida para o eixo dianteiro, é comunicada uma determinada diferença de velocidade às duas rodas, correspondente à curvatura da via. A patente descreve um diferencial fechado adequado para impor essa diferença de velocidade de rotação entre as duas rodas de um eixo. A invenção abrange o caso em que uma articulação Ackermann (9) é movida, orientando as rodas. O dispositivo permite circular mais depressa com igual estabilidade dinâmica. Pode assim operar-se um serviço de alta-velocidade em vias convencionais, sem os raios de curvatura e as tolerâncias dimensionais correspondentes.

Description

DESCRIÇÃO
DISPOSITIVO DE GUIAMENTO FERROVIÁRIO E O SEU MÉTODO DE OPERAR
Campo da invenção
A presente invenção aplica-se a eixos de comboios guiados por atuadores. A aplicação de referência é um veiculo automotor com apenas dois eixos, em que a distância entre eixos corresponde substancialmente ao comprimento do veiculo. No entanto, a invenção diz respeito a composições de qualquer tipo, com qualquer número de veículos.
Estado da técnica
Como é sabido, os eixos isolados com rodas cónicas estão sujeitos a uma instabilidade de lacete a baixa velocidade. A solução clássica consiste em associar os eixos aos pares, em «bogies». O projeto dos «bogies» exemplifica bem o que é um compromisso típico de engenharia, procurando compaginar exigências contrapostas: se a rigidez longitudinal é demasiado pequena, o «bogie» fica instável; se a rigidez é demasiado grande, o «bogie» é estável até uma velocidade superior, mas à custa de não ser capaz de realizar curvas apertadas .
Um problema da diferença dos arcos percorridos pela roda exterior e pela roda interior numa curva relaciona-se com o anterior. Se as rodas forem independentes, uma diferença apropriada da velocidade de rotação compensa a diferença de comprimentos dos arcos, no entanto, a maior parte dos comboios têm eixos rígidos. Estes três assuntos - (a) a conicidade dos aros das rodas combinada com a geometria da cabeça do carril e as deformações de contacto, (b) a folga lateral entre a roda e o carril e (c) a orientação radial dos eixos - constituem; em conjunto, um desafio difícil de resolver .
Muitas patentes sugerem melhorias para resolver o problema do lacete e melhorar a capacidade de efetuar curvas. É habitual classificar as soluções em passivas (muitas vezes designadas como "self-steering bogies") e ativas, geralmente com sensores e equipamentos mecatrónicos mais ou menos poderosos. A presente invenção partilha algumas caracteristicas de ambos os grupos. Não é um mecanismo meramente passivo, porque tem atuadores, mas também não é um mecanismo propriamente ativo, porque os atuadores não dependem da resposta do comboio.
A presente invenção tem alguma relação com as propostas apresentadas em [André, 2006 e 2008, vol.2] . O capitulo desse livro que trata especi ficamente do guiamento de comboios foi parcialmente publicado em [André, 2013] . Como se reconhece pelas explicações dadas nessas referências, existe uma relação remota desta invenção e a patente US 2462666 A de Alejandro Goicoechea. Ele foi um dos primeiros a entender a importância de reduzir significativamente a massa dos comboios e propôs uma alternativa - até agora, a mais bem- sucedida - aos «bogies» correntes. Os desenvolvimentos fundamentais das últimas décadas na área da dinâmica dos comboios convencionais, incluindo a tecnologia dos comboios de alta-velocidade , constituem outra referência importante. Sumário da invenção
A presente invenção substitui a configuração convencional dos «bogies» por um dispositivo de guia ento motorizado geo- -referenciado, com o objetivo de melhorar tanto a capacidade de curva como a estabilidade dinâmica do comboio.
No presente pedido de patente, o guiamento motorizado georreferenciado baseia-se na localização longitudinal instantânea do comboio na via.
É fácil saber o raio R da via na exata posição longitudinal do comboio porque a geometria da via não se altera com o tempo. O raio local da via e, portanto, o ângulo de guiamento apropriado (aq na Fig. 1) são apenas função da distância longitudinal percorrida a partir de um ponto inicial de referência .
Na variante preferida desta invenção, todos os eixos (6) são guiados por atuadores (7) lineares, que podem ser hidráuli¬ cos, pneumáticos ou elétricos, colocados em ambas as extremidades do eixo (Fig. 3-a) . Uma unidade de controlo georreferenciado comanda o motor de passo que aciona os atuadores (7) lineares, conforme o raio local de curvatura da via: para isso, existiria a bordo do comboio uma base de dados de curvaturas.
Há vantagem em cada atuador (7) linear, em cada uma das extremidades do eixo, ser constituído por um par de atuadores (7-a) e (7-b) semelhantes, para proporcionar alguma redundância. Com a mesma finalidade, o curso dos atuadores pode ser limitado por limitadores de curso. Além disso, em situações de emergência, estes limitadores podem funcionar em modo de segurança, que permite que o conjunto guie corretamente o eixo mesmo depois da falha de um elemento do par. Os limitadores de curso podem aplicar-se à ligação (26) em vez de atuarem diretamente sobre os atuadores.
A solução preferida para todos os eixos, exceto o primeiro, é permitir que as rodas rodem independentemente. O primeiro eixo é diferente, na medida em que será frequentemente útil impor uma determinada diferença de velocidade entre a roda esquerda e a roda direita, de menos de uma rotação por segundo. Para esse efeito, inclui-se uma nova transmissão diferencial na presente invenção.
Essa nova transmissão diferencial é uma montagem simétrica de duas engrenagens satélites, engrenadas numa roda comum. As Figs. 5, 6 e 7 representam três vistas simplificadas desta transmissão. A transmissão diferencial entre os dois se i- eixos contém um arranjo em satélite dos carretos planetários (12), (17) e das estruturas solares (20), (23) no qual os dentes das estruturas solares e dos carretos planetários podem ser substituídos por rodas de atrito deslocadas axialmente, para mudar a relação de transmissão.
Outro problema abordado neste pedido de patente é o desgaste concentrado dos aros das rodas e da cabeça dos carris, tipicamente associado a mecanismos de guiamento muito rigorosos. Desviando o eixo ligeiramente para a esquerda ou para a direita da via, pode distribuir-se uniformemente o desgaste. Esse pequeno desvio pode ser imposto por meio de um desvio angular do guiamento do eixo, ou por uma diferença de velocidade angular dos dois semi-eixos, ou alterando a bitola do eixo. Concretizações preferidas da invenção
Os primeiros parágrafos seguintes referem-se diretamente a todos os eixos do comboio (composto por um ou por mais veículos ferroviários) à exceção do primeiro. Se esses eixos, excetuando o primeiro, estão fixamente ligados com ângulo de guinada nulo ao chassis (1) do veiculo em frente deles, as rodas (3) ficam naturalmente orientadas pelo chassis com uma certa sobreviragem. Ou seja, os eixos tendem a seguir uma trajetória interior (trajetória (5) na Fig. 2), mais próxima do centro da curva. O desvio lateral e entre os carris (4) e a trajetória (5) das rodas (3) depende do comprimento L do entre-eixo. À medida que o comboio avança numa curva de raio constante R, o desvio e aumenta e tende para um valor limite, designado e .
O exato ângulo de guiamento requerido para eliminar completamente o desvio lateral de uma roda é a¾ = arcsin[l / (2 R) ] . Um erro angular õa nesse ângulo de guiamento produz um desvio lateral máximo e » L da.
Na variante preferida do presente pedido de patente, todos eixos são guiados por atuadores (7) dispostos em ambas as extremidades do eixo (6) (Fig. 3-a) . Estes atuadores lineares podem ser fusos de esfera («satellite roller screws») , acionados por um motor de passo, com engrenagens intermédias para multiplicar o binário. Como se disse, uma unidade de controlo georreferenciado comanda o motor de passo de acordo com o raio local de curvatura da via: existiria a bordo do comboio uma base de dados de curvaturas.
Se o comboio tem, simultaneamente, um movimento de arfagem e de balanceio, em resultado de uma deficiência de escala numa curva, ou por causa de um movimento de inclinação do chassis, o ângulo de guiamento pode ser afetado. Se a posição nominal dos atuadores (7) é horizontal, um movimento de arfagem pura ou de balanceio puro não altera o ângulo de guiamento, mas uma combinação dos dois movimentos pode dar origem a uma variação ligeira do ângulo de guiamento. Como essa eventualidade apenas ocorre em locais específicos e tem uma escala de tempos caracteristica de vários segundos, o controlo dos atuadores pode estar programado para contrariar essa tendência.
A montagem preferida consiste em rodas colineares (como representado na Fig. 1 e na Fig. 3-a) , embora as duas rodas possam rodar independentemente. Esta montagem aplica-se tanto a rodas motoras como a rodas livres. Se os dois semi-eixos de um eixo forem colineares (Figs. 1 e 3-a), o ângulo de guiamento que coloca as rodas em alinhamento radial é o mesmo para ambas as rodas do mesmo eixo.
Os dois semi-eixos (8) de um eixo podem ser não colineares e guiados independentemente (Fig. 3-b) . Se estiverem ligados por uma articulação Ackermann (9) (Fig. 3-c) , comportam-se de maneira semelhante a semi-eixos colineares. Como se sabe, estas articulações foram inventadas em Munique por Georg Lankensperger, em 1817, mas ficaram conhecidas pelo nome do seu agente Rudolph Ackermann que as patenteou no Reino Unido em 1818. Registe-se que a geometria de uma ligação Ackerman apropriada para um chassis devidamente inscrito numa curva (Fig. 3) não tem as proporções geométricas de uma articulação Ackermann Standard, projetada para veículos em que os eixos traseiros não são guiados. Em vez de serem guiadas conjuntamente por uma articulação comum, as duas rodas (3) do eixo (Fig. 3-b) podem ser guiadas independentemente. Se estiverem igualmente avançadas no referencial do chassis, como se representa no esquema da Fig. 3-b, o ângulo de guiamento da roda interior e o da roda exterior são di ferentes. Essa diferença é aproximadamente Da = L G / (2 R2) , em que G designa a bitola da linha (mais exatamente, a dis tância entre os pontos de contacto, ou linhas de rolamento) . Para a generalidade das linhas ferroviárias, a diferença Da é sempre inferior a lCu5 rad. O guiamento georreferenciado aplica-se tanto a semi-eixos colineares como não colineares.
Na concretização preferida, o atuador (7), em cada extremidade do eixo, é um atuador duplo, constituído por um par de atuadores ( 7—a ) e ( 7—b ) . Habitualmente, os dois atuadores do par realizam o mesmo esforço e movem-se com a mesma velocidade. Portanto, a alavanca (26), cujo fulcro guia uma extremidade do eixo (6), move-se uniformemente em translação horizontal. A montagem em duplicado dos atuadores proporciona alguma redundância. No caso de um deles bloquear, o controlo do outro atuador duplica o deslocamento para impor o deslocamento correto ao fulcro da alavanca (26) . Se o atuador (7-a) bloqueia, o controlo do atuador (7-b) duplica o deslocamento; se for o atuador (7-b) a bloquear, o controlo do atuador (7-a) duplica o deslocamento. Os limitadores de curso (27) proporcionam ainda mais alguma redundância. Quando um elemento do par colapsa, o outro continua a segurar uma extremidade da alavanca (26), enquanto a outra extremidade, do lado do atuador colapsado, fica balizada pelos limitadores de curso. Outra medida de segurança consiste em deslocar o limitador de curso (27) do atuador avariado em direção à alavanca, para constranger a extremidade solta da alavanca. Ao restringir o movimento dessa extremidade da alavanca (26) o curso do atuador operacional pode ter de aumentar para além do habitual: nesse caso, o correspondente limitador de curso move-se para uma posição em que esse movimento seja mais amplo . Ou seja, em operação normal, os limitadores de curso (27) são fixos e inamovíveis, com a amplitude dos movimentos de translação da alavanca (26) ao curso requerido pelas curvas da linha em que o comboio viaja. No caso de um dos dois atuadores (7-a) ou (7-b) se partir e a correspondente extremidade da alavanca (26) ficar solta dentro do intervalo permitido pela posição normal do limitador de curso (27) correspondente, esse limitador de curso se desloca para uma posição em que o movimento da referida extremidade da alavanca fica restringido e o guiamento é inteiramente realizado pelo outro atuador (7-a) ou (7-b) que ainda funciona. No caso em que um acidente bloqueia um dos atuadores (7-a) ou (7-b) ou destrói um atuador e ocasiona o deslocamento do correspondente limitador de curso (27) para uma posição em que a alavanca (26) fica articulada sem translação, de maneira que o curso exigido ao outro atuador, que ainda funciona, excede o imposto pelo seu limitador, esse limitador se desloca para uma posição em que o atuador que funciona fica livre de se mover num curso maior que em operação habitual.
Consideremos agora o primeiro eixo do comboio. O guiamento georreferenciado descrito acima também pode ser usado no primeiro eixo do comboio, mas este eixo dianteiro precisa de algum tipo adicional de controlo posicionai. De facto, o guiamento georreferenciado proporciona uma orientação angular praticamente ideal do eixo, mas o sistema precisa de um complemento para corrigir os desvios laterais. Considerando a representação cartográfica da via como uma função unidimensional em coordenadas planas, o ângulo de guiamento relaciona-se diretamente com a segunda derivada dessa função. A trajetória do eixo pode obter-se por dupla integração dessa segunda derivada. Como se sabe, esse procedimento, sofre um erro exponencialmente crescente e, portanto, o simples guia- mento georreferenciado do eixo dianteiro não é suficiente para alinhar convenientemente o eixo na via.
No entanto, do ponto de vista do controlo, tem grande importância que o guiamento automático georreferenciado seja perfeito relativamente à segunda derivada, porque os pequenos ajustamentos corretivos têm um comprimento de onda muito maior do que as curvas da linha.
Consideremos um trecho da via em que o raio exato seja R. 0 ângulo de guiamento exato para inscrever perfeitamente o chassis na curva é ao = arcsin[L / (2 R) ] , como se disse acima. Assume-se que os sinais de o¾ e R são consistentes, distinguindo curvas para a direita e curvas para a esquerda. Devido a minúsculos desalinhamentos do chassis, o ângulo o¾ efetivamente necessário é ligeiramente diferente, podendo ser definido como o¾' . Além disso, a imprecisão do dispositivo de guiamento orienta as rodas com um ângulo a0" ligeiramente diferente do valor teórico a¾. A soma destas duas perturbações ocasiona uma diferença da = o¾" - ao’ entre o ângulo imposto a0" e o ângulo realmente necessário a0' . A vantagem de usar um guiamento georreferenciado é que o módulo de da é muito menor do que o módulo de ao. Portanto, o sistema requerido para corrigir o guiamento georreferenciado deve lidar com uma curvatura relacionada apenas com da em vez de com ao.
Se o desvio angular da, devido ao desalinhamento do chassis e à imprecisão do guiamento for aproximadamente da = ±0.0010 rad, corresponde a descrever uma curva com um raio de 5 km (assumindo uma distância entre-eixos L = 10 m) . Os eixos de rodas solidárias bicónicas são muito eficientes em curvas com raios de curvatura tão grandes, sem perigo de provocar instabilidade dinâmica, pois a rigidez de guinada do veiculo pode ser muito grande, mesmo que a rigidez longitudinal do eixo seja baixa. Com uma distância entre-eixos longa, uma suspensão longitudinal suave produz uma rigidez de guiamento comparável à dos «bogies» dos comboios correntes de alta- velocidade .
Existem ainda alternativas ativas para realizar o ajustamento fino do guiamento. Com um guiamento georreferenciado do eixo dianteiro, o controlo ativo baseado nas perturbações medidas por sensores é ais fácil de realizar, por causa de uma importante redução do curso e da velocidade das correções desse ajustamento fino, em comparação com o curso e a velocidade de um guiamento convencional.
Numa curva, se os aros das rodas forem cilíndricos ou se os deslocamentos laterais do eixo forem nulos, as rodas do lado esquerdo e do lado direito devem ter velocidades de rotação diferentes. Depois do primeiro eixo, todas as rodas podem rodar independentemente, mesmo que sejam motrizes. Se as rodas forem livres, a diferença de velocidade de rotação é imposta naturalmente sem escorregamento pela força de contacto entre as rodas e os carris (4) . Como se explicou acima, o guiamento georreferenciado pode orientar os eixos a seguir ao primeiro, compensando o desvio lateral de sobreviragem.
No caso do primeiro eixo do comboio, se a conicidade equi valente da geometria roda-carril for usada para compensar os desvios laterais devidos aos pequenos e inevitáveis desali- nhamentos do chassis e às imperfeições do guiamento georreferenciado, é conveniente que as duas rodas rodem em conjunto. De facto, o mecanismo da conicidade é mais eficaz se a roda esquerda e a roda direita estiverem ligadas. É por isso que é útil impor a diferença correta de velocidade de rotação entre a roda esquerda e a roda direita.
Numa linha principal típica, em que as curvas têm raios de curvatura de cerca de 1000 m, a diferença de velocidade de rotação entre as rodas do lado esquerdo e do lado direito de um comboio viajando a 250 km/h é aproximadamente ±2.6 rpm num total de cerca de 1600 rpm. O conjunto de engrenagens planetárias descrito a seguir (Figs. 5, 6 e 7) visa impor esse tipo de diferença de velocidade de rotação entre as rodas do lado esquerdo e do lado direito.
Os semi-eixos (10) e os semi-eixos (19) da roda do lado direito têm engrenagens cónicas (11) e (18) acionadas por dois conjuntos de carretos planetários (12) e (17) . No meio do dispositivo, existe uma roda central (13) com a roda dentada cónica (14) engrenada nos carretos planetários (12) e outra roda dentada cónica (16) engrenada nos carretos planetários (17) e eventualmente também uma roda dentada cilíndrica (15), ou um dispositivo equivalente, para transmitir binário à roda central (13) . Os carretos planetários (12) e (17), que podem rodar livremente em torno do seu eixo, estão montados em estruturas em anel (20) e (23), para formar dois sistemas planetários. Estes suportes em anel (20) e (23), podem rodar lentamente em torno do eixo dos semi-eixos (10) e (19), como se descreve a seguir.
Quando a estrutura em anel (20), que suporta o conjunto dos carretos planetários (12) está parada, as engrenagens cónicas (11) e (14) rodam com a mesma velocidade mas em sentidos opostos. As setas da Fig. 6 mostram as direções do movimento das engrenagens cónicas, dos carretos e do semi-eixo (10) . O outro semi-eixo (19) é movido por um arranjo simétrico. Quando a estrutura em anel (23) , que suporta o conjunto dos carretos satélites (17), está parado, as engrenagens cónicas (16) e (18) rodam com idêntica velocidade de rotação mas em sentidos opostos. A engrenagem (18) aciona o semi-eixo (19) . As setas mostram o sentido do movimento das coroas, dos carretos e do semi-eixo.
Quando ambas as estruturas em anel ((20) que suporta os carretos (12) e (23) que suporta os carretos (17)) se mantêm paradas, os dois semi-eixos (10) e (19) são obrigados a rodar com a mesma velocidade de rotação, no mesmo sentido. Se a roda central (13) é acionada por um motor, por exemplo através da engrenagem cilíndrica (15), é transmitida potência (através dos carretos (12) e (17)) a ambos os semi-eixos (10) e (19) com igual velocidade de rotação.
Quando as duas estruturas em anel (20) e (23) rodam com diferente velocidade em torno dos semi-eixos (10) e (19), com cada anel a transportar o seu próprio conjunto de carretos satélites, os semi-eixos (10) e (19) rodam com uma diferença de velocidade. Por exemplo, caso a roda central (13) seja movida a 1600 rpm e o anel (20), que transporta o conjunto de carretos (12), rode no mesmo sentido a 1 rpm: a engrenagem cónica (11) vai rodar no sentido das setas das Figs. 5 e 6 à velocidade 1600 - 2 = 1598 rpm. Caso, ao mesmo tempo, o anel (23), que suporta o conjunto de carretos (17), se mantenha parado: a engrenagem (18) vai rodar exatamente à velocidade de 1600 rpm no sentido das setas das Figs. 5 e 6. Portanto, os dois semi-eixos, (10) e (19), vão rodar com uma diferença de 2 rpm.
Para mover uma estrutura em anel no sentido da rotação do correspondente semi-eixo, isto é, para a mover no sentido que aumenta a velocidade de rotação desse semi-eixo, é necessário fornecer energia à estrutura em anel. Pelo contrário, quando o anel roda no sentido oposto, extrai energia do semi-eixo. Em consequência, exceto se as perdas por atrito forem invul garmente grandes, não é preciso fornecer energia a uma estrutura em anel para diminuir a velocidade de rotação do seu semi-eixo.
Uma forma de rodar os anéis com uma velocidade de rotação determinada, em torno do eixo dos dois semi-eixos, é através de uma engrenagem sem-fim (21) ou (24), como se representa na Fig. 7. Com um ângulo adequado da hélice, a engrenagem sem- fim é auto-bloqueante . Outra forma prática de rodar os anéis consiste em os construir como uma espécie de motores de passo, controlados eletricamente.
Mecanismos de controlo muitíssimo precisos, como os descritos no presente pedido de patente, podem originar padrões de desgaste demasiado definidos nos aros das rodas e possivelmente na cabeça dos carris, porque as rodas repisam sempre os mesmos sítios. A solução proposta neste pedido de patente, para distribuir mais uniformemente o desgaste, consiste em combinar o guiamento rigoroso descrito acima com uma variação controlada de alguns parâmetros geométricos. Essas mudanças podem consistir numa pequena mudança da bitola dos eixos, ou na introdução de um erro milimétrico de guinada no eixo para deslocar lateralmente os eixos traseiros do comboio, ou numa diferença de velocidade de rotação entre as duas rodas do mesmo eixo, para provocar um deslocamento lateral semelhante. Com alguma destas medidas, as rodas podem seguir exatamente um determinado caminho, mas não sempre o mesmo. Em cada viagem, o comboio viaja sobre um caminho milimetricamente diferente, para controlar a distribuição do desgaste . Descrição das Figuras
Figura 1. Vista esquemática, em planta, do ângulo de guia- mento a¾, entre as rodas (2) dianteiras, ou as rodas (3) traseiras, e o eixo do chassis (1) do veiculo.
Figura 2. Vista em planta das trajetórias (5) seguidas pelas quatro rodas de um veiculo, se as rodas (3) traseiras não forem guiadas (isto é, se se mantiverem paralelas ao eixo longitudinal do veiculo) . O chassis (1), as rodas (2) dianteiras e os carris (4) também estão representados na figura.
Figura 3. Vista em planta do chassis (1) de um veiculo e de um dos seus eixos constituído por um eixo (6) (Fig. 3- a) , ou constituído por dois semi-eixos (8) não colineares guiados independentemente (Fig. 3-b) , ou constituído por dois semi-eixos não colineares guiados conjuntamente por uma articulação Ackermann (9) (Fig. 3- c) . As rodas (3) também estão representadas na figura, assim como os atuadores (7) .
Figura 4. Atuadores (7) lineares, em cada extremidade de uma alavanca (26) , dispostos aos pares, (7-a) e (7-b) , para redundância. Movida pelos atuadores, a alavanca move uma extremidade do eixo (6) das rodas. Limitadores de curso (27) melhoram a segurança no caso de falhar um elemento do par (7-a) e (7-b) . (1) indica o chassis.
Figura 5. Esquema de uma transmissão que introduz uma diferença de velocidade entre os dois semi-eixos (10) e (19) . As engrenagens cónicas (11) e (18) estão solidamente ligadas aos semi-eixos. Há dois conjuntos de engrenagens cónicas dentadas (12) e (17), montadas como satélites de um anel não representado na figura. Existe ainda uma roda central com duas engrenagens cónicas (14) e (16) e eventualmente com uma engrenagem reta (15) .
Figura 6. Vista lateral esquemática, semelhante à da Fig. 5, com algumas peças removidas para maior clareza. Estão representados os dois semi-eixos (10) e (19), as engrenagens cónicas (11) e (18), os dois conjuntos de engrenagens cónicas dentadas (12) e (17), montadas como satélites de um anel, e a roda central (13) , com duas engrenagens cónicas (14) e (16) e eventualmente com uma engrenagem reta (15) .
Figura 7. Esquemas que representam o mesmo arranjo da Fig. 5.
Na Fig. 7-a, uma estrutura em anel (20) segura uma série de carretos (12), numa montagem solar-planetária . A face externa da estrutura em anel (20) é dentada e engrena num sem-fim (21), acionado por um motor de passo (22) . Analogamente, na Fig. 7-b, uma estrutura em anel (23) segura a série de carretos (17), numa montagem solar- planetária. A face externa da estrutura em anel (23) tem uma coroa de dentes engrenada numa engrenagem sem-fim (24) , movido pelo motor de passo (25) .
Referências
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Lisboa, 01 de agosto de 2019.

Claims

REIVINDICAÇÕES
1 - Método de operar um dispositivo de guiamento ferroviário, no qual os eixos (6) ou semi-eixos (8) são guiados por atuadores (7) de acordo com a curvatura local da linha, caracterizado por:
a) se medir a coordenada longitudinal do comboio ao longo da linha;
b) se usar essa coordenada para obter, da base de dados do computador, o raio local, R, de curvatura da linha nesse local, ou o ângulo de guiamento apropriado, ot§ naquele local;
c) e se impor esse ângulo de guiamento, g^ aos eixos (6) ou semi-eixos (8) por meio de atuadores (7) hidráulicos, pneumáticos ou elétricos.
2 - Método de operar um dispositivo de guiamento ferroviário, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por acrescentar uma compensação ao ângulo de guiamento, ag, imposto pelos atuadores (7) de modo a ter em conta o efeito combinado da arfagem e do balanceio da caixa (1) no ângulo efetivo de guiamento do eixo.
3 - Método de operar um dispositivo de guiamento ferroviário, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo uso de alavancas ou mecanismos intermédios equivalentes aptos a multiplicar a força dos atuadores (7) .
4 - Método de operar um dispositivo de guiamento ferroviário, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por acrescentar um erro de guinada ao ângulo de guiamento ideal, ag, de forma a deslocar lateralmente os eixos do comboio e controlar a distribuição do desgaste na largura dos aros das rodas e na largura da cabeça dos carris (4) . 5 - Método de operar um dispositivo de guiamento ferroviário, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por impor uma diferença de velocidade de menos de uma rotação por segundo entre as duas rodas (2) de um eixo (6) tal que o eixo se desloca ligeiramente deslocado em relação ao exato centramento da linha, de modo que a região de contacto possa variar e distribuir convenientemente o desgaste por toda a largura dos aros das rodas e toda a largura da cabeça dos carris.
6 - Método de operar um dispositivo de guiamento ferroviário, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por impor uma variação na bitola do eixo, de forma a deslocar a região de contacto entre a roda e o carril, de modo que o desgaste se distribua convenientemente por toda a largura dos aros das rodas e toda a largura da cabeça dos carris .
7 - Método de operar um dispositivo de guiamento ferroviário, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por acrescentar ativamente uma correção ao ângulo de guiamento imposto pelos atuadores (7) georreferenciados ; sendo a dita correção ativa calculada como uma resposta filtrada da folga lateral, e, do eixo relativamente ao alinhamento central da via; sendo o dito filtro um filtro digital passa-baixo com um amortecimento apropriado elevado, apto a produzir uma variação lenta da correção ativa, com valores de guiamento limitados por uma banda estreita.
8 - Dispositivo de guiamento caracterizado por os eixos terem rodas e veios em que o método da reivindicação 1 é aplicado.
9 Dispositivo de guiamento de acordo com a reivindicação 8 caracterizado por cada atuador (7) de guiamento ser constituído por um par de atuadores (7—a), (7—b) trabalhando numa alavanca comum (26) .
10 - Dispositivo de guiamento de acordo com a reivindicação 8, caracterizado por o controlo dos atuadores duplos (7-a) e (7- b) ser tal que,
a) em operação normal, ambos os atuadores têm a mesma velocidade e aplicam a mesma força;
b) em caso de falha de um dos dois atuadores (7-a) ou (7-b) , a amplitude do movimento do outro atuador é aumentada, para compensar a imobilização do atuador estragado.
11 - Dispositivo de guiamento de acordo com a reivindicação 9, caracterizado por a alavanca (26) estar equipada com limitadores de curso (27) .
12 - Dispositivo de guiamento de acordo com a reivindicação 11, caracterizado por
a) em operação normal, os limitadores de curso (27) estarem fixos e inamovíveis, limitando a amplitude dos movimentos de translação da alavanca (26) ao curso requerido pelas curvas da linha em que o comboio viaja;
b) no caso de um dos dois atuadores (7-a ou 7-b) se partir e a correspondente extremidade da alavanca (26) ficar solta dentro do intervalo permitido pela posição normal do limitador de curso (27) correspon^dente, esse limitador de curso se deslocar para uma posição em que o movimento da referida extremidade da alavanca fica restringido e o guiamento é inteiramente realizado pelo outro atuador (7- a ou 7-b) que ainda funciona;
c) no caso em que um acidente bloqueia um dos atuadores (7-a ou 7-b) ou destrói um atuador e ocasiona o des-locamento do correspondente limitador de curso (27) para uma posição em que a alavanca (26) fica articulada sem translação, de maneira que o curso exigido ao outro atuador, que ainda funciona, excede o imposto pelo seu limitador, esse limitador se deslocar para uma posição em que o atuador que funciona fica livre de se mover num curso maior que em operação habitual .
13 - Dispositivo de guiamento de acordo com a reivindicação 8, caracterizado por as rodas (2), (3) serem colineares e o eixo (6) ser guiado como um todo.
14 - Dispositivo de guiamento de acordo com a reivindicação 8, caracterizado por as rodas (2), (3) não serem colineares e cada roda do eixo ter guiamento independente.
15 - Dispositivo de guiamento de acordo com a reivindicação 8, caracterizado por as rodas (2), (3) não serem colineares e cada roda ser guiada com um ângulo diferente por meio de uma articulação Ackermann (9) .
16 - Dispositivo de guiamento de acordo com a reivindicação 8, caracterizado por as rodas do eixo rodarem com velocidade de rotação independente.
17 - Dispositivo de guiamento de acordo com a reivindicação 8, caracterizado por cada uma das duas rodas do eixo ser movida na rotação pelo seu próprio motor.
18 - Dispositivo de guiamento de acordo com a reivindicação 8, caracterizado por cada uma das duas rodas do eixo ser movida na rotação pelo mesmo motor, através de uma transmissão diferencial aberta. 19 - Dispositivo de guiamento de acordo com a reicindicação 8, caracterizado por conter uma transmissão diferencial entre as duas rodas de um eixo, tal que,
a) cada semi-eixo (10), (19) do eixo tem engrenagens cónicas (11), (18) engrenadas no seu próprio conjunto de carretos planetários (12), (17), de forma que um semi- eixo (10) tem um conjunto de carretos planetários (12) e o outro semi-eixo (19) tem outro conjunto de carretos planetários (17);
b) cada um destes dois conjuntos de carretos planetários está sujeito a uma estrutura solar (20), (23) de modo que ou se mantêm parados ou rodam devagar com uma velocidade de rotação bem precisa em torno do eixo da transmissão, de modo que as duas estruturas solares podem rodar com uma velocidade diferente em torno do eixo da transmissão;
c) os dois conjuntos de carretos planetários (12), (17) estão engrenados em duas rodas dentadas dispostas simetricamente (14), (16) rodando em rotação sólida, como se pertencessem à mesma roda central (13) , de forma que a diferença de velocidade de rotação entre os dois semi-eixos (10), (19) depende da diferença de velocidade das estruturas solares (20), (23) que se deslocam lentamente;
d) de modo que, se é aplicado um binário à transmissão através das duas rodas dentadas centrais (14), (16) rodando em rotação sólida, cada uma destas duas rodas dentadas aciona o seu próprio conjunto de carretos planetários (12), (17), que movimentam o seu semi-eixo
(10), (19) e lhe transmitem binário;
e) e também, que, se as estruturas solares (19), (22) dos ditos conjuntos de carretos planetários rodam com uma determinada diferença de velocidade, os dois semi-eixos rodam com uma determinada diferença de velocidade, enquanto se transmite binário a cada um deles.
20 - Dispositivo de guiamento de acordo com a reicindicação 8 e a reivindicação 19, caracterizado por a roda dentada central (13) da transmissão diferencial possuir uma coroa de dentes (15) ou um dispositivo equivalente para transmitir binário à roda central.
21 - Dispositivo de guiamento de acordo com a reicindicação 8 e a reivindicação 19, caracterizado por
a) a transmissão diferencial entre dois semi-eixos ser tal que as duas estruturas solares (20), (23) têm a forma de anéis acionados por engrenagens sem-fim (21), (24);
b) cada um dos ditos sem-fim é movido pelo seu motor de passo
(22), (25), para impor a pequena velocidade de rotação apropriada a cada uma das estruturas solares.
22 - Dispositivo de guiamento de acordo com a reicindicação 8 e a reivindicação 19, caracterizado por
a) a transmissão diferencial entre dois semi-eixos ser tal que as duas estruturas solares (20), (23) têm a forma de anéis com dentes de engrenagem a toda a volta;
b) e essas engrenagens periféricas são movidas a baixa velocidade de rotação pelo movimento linear de uma cremalheira, acionada por um atuador hidráulico, pneumático ou elétrico.
23 - Dispositivo de guiamento de acordo com a reicindicação 8 e a reivindicação 19, caracterizado por a transmissão diferencial entre dois semi-eixos ser tal que as duas estruturas solares (20), (23) são elas próprias motores de passo . 24 - Dispositivo de guiamento de acordo com a reicindicação 8 e a reivindicação 19, caracterizado por a transmissão diferencial entre dois semi-eixos conter um arranjo em satélite dos carretos planetários (12), (17) e das estruturas solares (20), (23) no qual os dentes das estruturas solares e dos carretos planetários são substituídos por rodas de atrito que podem ser deslocadas axialmente, para mudar a relação de transmissão .
Lisboa, 1 de agosto de 2019.
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