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Dokumentenidentifikation DE19601301A1 17.07.1997
Titel Verfahren zur Spurführung von Fahrzeugen
Anmelder Linke-Hofmann-Busch GmbH, 38239 Salzgitter, DE
Erfinder Frederich, Fritz, Prof. Dr.-Ing., 47809 Krefeld, DE
DE-Anmeldedatum 16.01.1996
DE-Aktenzeichen 19601301
Offenlegungstag 17.07.1997
Veröffentlichungstag im Patentblatt 17.07.1997
IPC-Hauptklasse B61F 5/38
IPC-Nebenklasse G10K 11/16   G01B 21/26   G01H 17/00   G01P 3/481   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft verschiedene Methoden, Fahrwerke entlang eines vorgegebenen Kurses zuführen ohne dazu Führungskräfte vom Fahrzeugaufbau auf das Fahrwerk zu übertragen. Führungskräfte könnten rückwirkend den Fahrkomfort im Fahrzeugaufbau empfindlich stören.
Die zum Folgen des Kurses notwendigen Wendebewegungen des Fahrwerks werden aus Zustandsgrößen der augenblicklichen Fahrzeug- oder Fahrwerksbewegung abgeleitet. Das Fahrwerk erzeugt die erforderlichen Wendemomente durch Antriebs- und Bremskräfte an gegenüberliegenden Rädern.
Zur Steuerung der Wendemomente bieten sich prinzipiell unterschiedliche Verfahren an. Der natürlichen Bewegung des Radpaares wird entweder eine zusätzliche Stellbewegung überlagert oder aus der natürlichen Bewegung werden ein oder mehrere Bewegungsanteile ausgeblendet.

Beschreibung[de]
Gattung

Die Erfindung betrifft zwei Verfahren zur sicheren, verschleißarmen und komfortablen Führung von Fahrzeugen, insbesondere Schienenfahrzeugen im Spurkanal eines Gleises. Die vorgesehenen Verfahren dienen dazu, unerwünschte, störende Bewegungen der Räder eines Fahrwerks auf den Schienen durch geeignete Maßnahmen auszuschalten. Störungsfrei auf den Schienen abrollende Räder sind leise. Außerdem reduziert sich der Verschleiß an Rädern und Schienen.

Gegenstand der Erfindung sind zwei prinzipiell unterschiedliche Methoden, mit denen die gewünschten Ziele erreicht werden können.

Stand

Fahrwerke von Schienenfahrzeugen sind mit Radsätzen oder Radpaaren ausgerüstet.

Bei Radsätzen sind zwei Räder fest auf einer Radsatzwelle nebeneinander angeordnet. Beide Räder rotieren mit derselben Drehzahl; die Aufteilung von Antriebs- und Bremsmomenten auf die Räder eines Radsatzes richtet sich nach dem jeweiligen kinematischen Zustand der Berührpunkte von Rädern und Schienen.

Die Räder von Radsätzen werden mit profilierten Fahrflächen versehen. Dadurch wird erreicht, daß die Berührungsflächen von Rädern und Schienen geneigt sind. An den geeigneten Berührungsflächen entstehen unmittelbar aus der Radlast zur Gleisachse weisende Rückstellkräfte, die den rollenden Radsatz bei geeigneter Ausbildung des Profils der Fahrflächen zur Gleismitte zentrieren und ihn dem Verlauf der Gleisachse ohne äußere Hilfe folgen lassen.

An profilierten Fahrflächen ändern sich die wirksamen Radhalbmesser, wenn die Berührungspunkte auf den Fahrflächen der Räder wandern. Damit ändern sich die augenblicklichen Umfangsgeschwindigkeiten, was zu Antriebs- und Bremskräften an den Rädern führt. Die Antriebskraft eines Rades bildet mit der Bremskraft des anderen ein Kräftepaar, welches den Radsatz um seine Halbachse wendet.

Die kinematischen Verhältnisse, die Kräfte an den Radumfängen und die Stellung des Radsatzes im Spurkanal des Gleises verändern sich ständig. Dauernd ungeordnet wechselnde Querverschiebung und Schrägstellung des Radsatzes im Gleis ist die Folge. Dieser Effekt ist als Radsatz-Wellenlauf bekannt. Gegen den Radsatz-Wellenlauf werden Radsatzführungen eingesetzt, welche die Wendebewegung von Radsätzen ganz oder teilweise unterdrücken. Mit Radsatzführungen können die sicht- und spürbaren Bewegungen des Radsatz-Wellenlaufs nur unterdrückt, nicht aber die Ursachen für den Wellenlauf - nämlich die in den Fahrflächen entstehenden Kräfte - beseitigt werden.

Radpaare kennen keinen Wellenlauf. Die Räder von Radpaaren sind ebenso wie die von Radsätzen parallel nebeneinander angeordnet; sie können aber unabhängig voneinander rotieren. Damit bleibt der Vorteil profilierter Räder erhalten: Radpaare zentrieren sich direkt durch die Profilseitenkräfte zur Gleismitte. Weil die Räder voneinander unabhängig rotieren können, fehlt dem Radpaar allerdings jede Wendefähigkeit. Radpaare können von selbst keine Wendewinkel erzeugen. Sie bedürfen äußerer Kräfte und Momente, zum Einstellen von Wendebewegungen wie sie z. B. zur zwangsfreien Fahrt im Gleisbogen erforderlich sind. Deshalb werden Radpaare durch ein anderes Radpaar oder eine externe Einrichtung gesteuert. Letztere bedingt immer, daß Kräfte bzw. Kräftepaare vom Fahrzeug auf das Radpaar einwirken müssen.

Kritik

Der Wellenlauf von Radsätzen ist für die Spurführung ebenso unerwünscht wie die Unfähigkeit von Radpaaren, sich selbsttätig im Gleisbogen einzustellen.

In beiden Fällen entstehen zusätzliche zu den Hauptbewegungen Fahrgeschwindigkeit und Rotation der Räder unerwünschte Nebenbewegungen der Räder relativ zu den Schienen. Quer- und Längsschlupf in den Rad/Schiene-Kontakten von Radsätzen und Radpaaren verursachen Kraftschlußkräfte, die zusammen mit den Relativgeschwindigkeiten zwischen Rädern und Schienen zu Kraftschluß-Verlustleistungen führen.

Letztere sind die Ursache von Radverschleiß, Schienenverschleiß und Rollgeräuschen im Rad/Schiene-Kontakt.

Allen bisher bekannten Lösungen ist gemeinsam, daß versucht wird, die negativen Eigenschaften von Radsätzen (Wellenlauf) und Radpaaren (Wendefähigkeit) durch von außen über den Fahrzeugaufbau aufgebrachte Kräfte bzw. Kräftepaare zu mildern.

Dabei wird in Kauf genommen, daß die Reaktionskräfte auf den Fahrzeugaufbau zwangsläufig das Bewegungsverhalten des Fahrzeugaufbaus und damit den Fahrkomfort verschlechtern.

Aufgabe

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch geeignete Maßnahmen die Einstellung von Radpaaren in Gleisbögen zu bewerkstelligen und den Wellenlauf von Radsätzen zu eliminieren, ohne die positiven Eigenschaften von Radpaaren (kein Wellenlauf) und Radsätzen (Wendefähigkeit) zu beeinträchtigen.

Lösung

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Kopplung der parallelen Räder von Radpaaren und Radsätzen gezielt zur Spurführung eingesetzt wird. Dabei kommt es entscheidend darauf an, welche Information als Eingangsgröße zur Steuerung oder Regelung der Kopplung eingesetzt wird.

Als Steuer- oder Regelgröße eignen sich die Stellung von Fahrzeugen relativ zueinander, die Stellung eines Radsatzes oder Radpaares relativ zum Gleis und das Bewegungsverhalten von Radsätzen oder Radpaaren im Spurkanal des Gleises. Die zu steuernden oder zu regelnden Größen werden mit geeigneten mechanischen, elektrischen, hydraulischen, pneumatischen oder elektronischen Sensoren erfaßt und nach entsprechender Aufbereitung einem Regler oder einer Steuerung als Eingangsinformation zugeführt. Regler und Steuerungen werten die Eingangsgröße zusammen mit anderen Informationen über den Zustand und die Daten des zugehörigen Fahrzeugs aus und setzen sie in Stellbefehle für den Stellmotor des Fahrwerks um. Erst im Fahrwerk werden die zur Veränderung der Stellgröße notwendigen Kräfte und Momente erzeugt.

Vorteil

Der mit der Erfindung erzielbare Fortschritt besteht insbesondere darin, daß zur Verbesserung des Spurführungsverhaltens von Fahrzeugen im wesentlichen Informationen gewonnen und aufbereitet werden und nur im Fahrwerk geringe Energien zur Einstellung des gewünschten Fahrverhaltens einzusetzen sind. Stellkräfte bleiben ausschließlich auf das Fahrwerk beschränkt und beeinflussen den Fahrkomfort im Fahrzeugaufbau nicht.

Es versteht sich fast von selbst, daß informationstechnisch unterstützte Fahrwerke nicht nur sehr viel verschleißärmer und leiser - da sich selbsttätig auf aktuelle Situationen einstellend - betrieben sondern auch erheblich leichter gebaut werden können.

Informationen sind heutzutage einfach leichter zu handhaben als Kräfte und Energien.

Beispiele

Die der Erfindung zugrundeliegenden Methoden und mögliche technische Ausführungen sind in den folgenden Beispielen schematisch dargestellt und kurz beschrieben.

Es zeigen

Fig. 1 die Prinzipskizze zweier gelenkig miteinander verbundenen Fahrzeuge mit je einem Einzelfahrwerk und -Sensor am Fahrzeuggelenk,

Fig. 2 das Strukturdiagramm einer Steuerkette zur Einstellung eines Einzelfahrwerks,

Fig. 3 die Prinzipskizze eines unter einem Fahrzeug angeordneten Einzelfahrwerks mit δ-Sensoren,

Fig. 4 das Strukturdiagramm einer Regelung zur Einstellung eines Einzelfahrwerks mit δ-Sensoren,

Fig. 5 die Prinzipskizze eines unter einem Fahrzeug angeordneten Einzelfahrwerks mit δ-Sensoren,

Fig. 6 das Strukturdiagramm einer Regelung zur Einstellung eines Einzelfahrwerks mit σ-Sensoren,

Fig. 7 die Prinzipskizze eines Einzelfahrwerks im Spurkanal eines Gleises mit α-Sensoren,

Fig. 8 das Strukturdiagramm zur elektronischen Auskopplung des Wellenlaufs eines Radsatzes mit α-Sensoren.

In Fig. 1 sind schematisch zwei gelenkig miteinander verbundene Fahrzeuge 1 und 2 mit ihren Einzelfahrwerken 3 und 4 dargestellt. Damit das Fahrwerk 3 der Gleisachse 7 bei Bogenfahrt ideal folgt, muß die Längsachse 5 des Fahrwerks 3 um den Winkel α gegen die Gleisachse 6 in der Geraden geschwenkt sein. Als Information für die Einstellung des Schwenkwinkels α dient der Gelenkwinkel β, der sich bei Bogenfahrt zwischen den Fahrzeuglängsachsen 8 und 9 bzw. den zugewandten Stirnwänden 10 und 11 der Fahrzeuge 1 und 2 abnehmen läßt. Der Winkel α ist über den Bogenhalbmesser der Gleisachse 7 und den Abstand des Fahrwerks 3 vom Fahrzeuggelenk 12 mit dem Gelenkwinkel β verknüpft. Der Winkel α wird durch unterschiedliche Drehzahlen der Räder des Fahrwerks 3 eingestellt.

In Fig. 2 ist schematisch dargestellt, wie die Größen, die die Einstellung des Fahrwerks 1 beeinflussen, verknüpft werden. Auf den Abgriff 13 für den Gelenkwinkel β wirken die Lage 14 der Gleisachse, die Stellung 15 des Fahrzeugs 1 und die Stellung 16 des Fahrzeugs 2. Der Gelenkwinkel β wird mit dem -Sensor 17 gemessen. Der v-Sensor 18 mißt die Fahrgeschwindigkeit v nach Größe und Richtung. Die Informationen über die Größe des Gelenkwinkels β und die Fahrgeschwindigkeit v werden von der Steuerung 19 in eine Drehzahl ns des Stellmotors 20 umgewandelt.

Die Stellbewegung des Stellmotors 20 wird in Überlagerungsdrehzahlen Δnl und Δnr zerlegt, die auf das linke Rad 21 und das rechte Rad 22 des Fahrwerks 1 übertragen werden. Infolge unterschiedlicher Drehzahlen der Räder 21 und 22 wird das Fahrwerk 1 um den Winkel Δα auf den Winkel α geschwenkt. Der Winkel α beeinflußt rückwärts über die Stellung 15 des Fahrzeugs 1 wiederum den Gelenkwinkel β. Klar von der Informationsverknüpfung ist der Energieteil 23 abgehoben. Ausschließlich im Energieteil 23, der sich auf den Traktionsstrang des Fahrwerks beschränkt, werden Kräfte, Energien und Leistungen übertragen und gewandelt.

Fig. 3 zeigt den vorderen Teil eines Einzelfahrzeugs 1 mit seinem Einzelfahrwerk 3. Jede Seite des Fahrwerks 3 ist mit Sensoren 24 und 25 ausgestattet, welche die Abständen δl und δr zwischen den Radebenen der Räder 21 und 22 und den Fahrkanten 26 und 27 der Schienen messen. Die Sensoren 24 und 25 können vor, hinter oder vor und hinter den Rädern 21 und 22 des Fahrwerks 1 angeordnet sein.

Fig. 4 veranschaulicht, wie die Anzeigen der Sensoren 24 und 25 in eine Änderung Δα des Schwenkwinkels α umgewandelt werden. Der Vergleicher 28 stellt fest, ob sich die Abstände und δl und δr unterscheiden. Abweichungen setzt der Regler 27 in Stelldrehzahlen ns für den Stellmotor 20 um. Die Drehung der Räder 21 und 22 wird mit den Drehzahlen Δnl und Δnr überlagert, was zu einer Änderung Δα des Schwenkwinkels α führt. Der Schwenkwinkel α seinerseits beeinflußt rückwärts zusammen mit der Lage der Fahrkanten 26 und 27 die von den Sensoren 24 und 25 gemessenen Abstände δl und δr.

Fig. 5 zeigt eine andere Methode zur Unterstützung des Spurführungsverhaltens. Dargestellt ist wiederum ein Fahrzeug mit seinem vorderen Fahrwerk 3. Mit den σ-Sensoren 30 und 31 werden der Luftschall und der Körperschall im Bereich der Räder 21 und 22 gemessen. Nur bei gleichen kinematischen Verhältnissen an den Rädern 21 und 22 sind gleiche Schallemissionen zu erwarten. Gleiche kinematische Verhältnisse liegen aber nur bei Schwenkwinkel α=0 vor. Von Null abweichende Schwenkwinkel α lassen sich am unterschiedlichen Schall erkennen.

Fig. 6 zeigt das Strukturdiagramm der Regelung, die das Fahrwerk 3 auf die Gleisachse 6 einstellt. Mit den σ-Sensoren 30 und 31 werden die Schallspektren Pl und Pr des linken Rades 21 und des rechten Rades 22 aufgenommen. Der Vergleicher 28 stellt Unterschiede in den Schallspektren Pl und Pr fest. Differenzen setzt der Regler 29 wie bereits beschrieben über den Stellmotor 20 in unterschiedliche Drehzahlen der Räder 21 und 22 in und damit Änderungen Δα des Schwenkwinkels α um.

In Fig. 7 ist ein einzelnes Fahrwerk 3 mit den Rädern 21 und 22 zu sehen, die fest mit der Welle zu einem Radsatz verbunden sind. Ohne irgendwelche Maßnahmen folgt der Radsatz nicht der Gleisachse 6, sondern bewegt sich auf der wellenförmigen Bahnkurve 34. Dabei ändert der Radsatz seinen Schwenkwinkel α ständig. Die Änderung des Schwenkwinkels α wird mit den α-Sensoren 32 und 33 gemessen. Die α- Sensoren 32 und 33 können den Winkel α, die Winkelgeschwindigkeit oder die Winkelbeschleunigung ≙ erfassen.

Die Schaltung in Fig. 8 dient dazu, den Wellenlauf des Radsatzes zu erkennen und ihn durch geeignete Radbewegugen der Räder 21 und 22 zu kompensieren. Dazu werden die von den α-Sensoren 32 und 33 gemessenen Zeitsignale α(t) gemittelt. Das gemittelte Zeitsignal (t) wird im Frequenzanalysator 35 in seine Frequenzanteile α(f) zerlegt. Wellenlauf wird als periodisches Einzelereignis an der singulären Amplitude identifiziert und als Wellenlaufvektor ≙(ω,γ) mit Amplitude ≙, Frequenz ≙ und Phasenwinkel ≙ ausgegeben. Der Vektorausgleicher 36 dreht den Wellenlaufvektor ≙ um 180° und führt den Ausgleichsvektor mit der Amplitude = ≙, der Frequenz= ≙ und der Phasenlage= ≙ + π als Stellsignal dem Stellmotor 20 zu. Der Stellmotor 20 koppelt den Wellenlauf aus der Radsatzbewegung aus und macht damit das Fahrwerk 3 "wellenlaufunfähig". Die anderen erwünschten kinematischen und dynamischen Eigenschaften von Radsätzen bleiben unangetastet.

Es entsteht ein völlig neues Spurführungsprinzip.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird das Spektrum α(f) ständig ausgegeben und selbst wieder als Zeitfunktion α(t) aufgefaßt. Aus dem Vergleich der zu verschiedenen Zeitpunkten aufgenommenen Spektren wird ein Stellsignal gebildet, das dem Stellmotor 20 als Eingangssignal dient.

Bezugszeichenliste

1 Fahrzeug 1

2 Fahrzeug 2

3 Fahrwerk 3

4 Fahrwerk 4

5 Längsachse Fahrwerk 3

6 Gleisachse Gerade

7 Gleisachse Bogen

8 Längsachse Fahrzeug 1

9 Längsachse Fahrzeug 2

10 Stirnwand Fahrzeug 1

11 Stirnwand Fahrzeug 2

12 Fahrzeuggelenk

13 Abgriff

14 Lage der Gleisachse

15 Stellung Fahrzeug 11

16 Stellung Fahrzeug 2

17 β-Sensor

18 v-Sensor

19 Steuerung

20 Stellmotor

21 linkes Rad, Fahrwerk 1

22 rechtes Rad, Fahrwerk 1

23 Energieteil

24 σ-Sensor links

25 σ-Sensor rechts

26 Fahrkante links

27 Fahrkante rechts

28 Vergleicher

29 Regler

30 δ-Sensor links

31 δ-Sensor rechts

32 δ-Sensor links

33 δ-Sensor rechts

34 Bahnkurve

35 Frequenzanalysator

36 Vektorausgleicher

α Schwenkwinkel

β Gelenkwinkel

δ Rad/Schiene-Abstand

σ Schallspektrum


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur Gewinnung und Aufbereitung von Daten, die zur Steuerung oder Regelung von Fahrwerken, welche entlang eines vorgegebenen Kurses geführt werden sollen, geeignet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Gelenkwinkel zwischen gekuppelten oder gelenkig miteinander verbundenen Fahrzeugen durch Sensoren kraftfrei abgetastet und das so erhaltene Signal nach entsprechender Aufbereitung einer Steuerung oder Regelung zur Veränderung des Einstellwinkels des Fahrwerks als Information zugeleitet wird.
  2. 2. Verfahren zur Gewinnung und Aufbereitung von Daten zur Spurführung von Fahrwerken, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellung der Räder eines Fahrwerks relativ zu den Fahrkanten der Schienen abgetastet und die so erhaltenen Signale nach geeigneter Aufbereitung einer Steuerung oder Regelung zur Veränderung des Einstellwinkels des Fahrwerks als Information zugeleitet werden.
  3. 3. Verfahren zur Gewinnung und Aufbereitung von Daten zur Spurführung von Fahrwerken, dadurch gekennzeichnet, daß die von den Rädern eines Fahrwerks ausgehenden mittel- und hochfrequenten Schwingungen als Körperschall und Luftschall gemessen und in ihre Spektren zerlegt werden und aus dem Vergleich der Spektren ein Signal abgeleitet wird, das nach geeigneter Aufbereitung einer Steuerung oder Regelung zur Veränderung des Einstellwinkels des Fahrwerks als Information zugeleitet wird.
  4. 4. Verfahren zur Gewinnung und Aufbereitung von Daten zur Spurführung von Fahrwerken, dadurch gekennzeichnet, daß die Wendebewegung des Fahrwerks als Winkel, Winkelgeschwindigkeit oder Winkelbeschleunigung kraftfrei 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 einer Phasendrehung von 180° und geeigneter 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 werden.






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