Verfahren zur Erzeugung eines Ansteuersignales für die Drehung eines Wagenkastens

Abstract

 Dieses Verfahren mit zugehöriger Vorrichtung dient zur Er­zeugung eines Ansteuersignales für die gleisbogenabhängige Drehung eines Wagenkastens, welcher um seine Längsachse dreh­bar am Fahrgestell eines Schienenfahrzeuges angebracht ist. Es werden Meßsignale für die Fahrzeuggeschwindigkeit v, die Winkelgeschwindigkeit ω des Fahrgestells um seine Längsachse sowie die Querbeschleunigung b verwendet. Letzteres wird einem ersten Tiefpaßfilter 4 zugeführt. Um das Ansteuersignal den realen Gegebenheiten des Schienenverlaufs soweit wie möglich anzupassen, wird vorgeschlagen, das Meßsignal für die Winkel­geschwindigkeit ω einem zweiten Tiefpaßfilter 5 zuzuführen und dessen Ausgangssignal in einem Multiplizierglied 6 mit einem vom Quadrat der Fahrzeuggeschwindigkeit v abhängigen Signal zu multiplizieren. Das Ansteuersignal wird dann in einem Sum­mationsglied 7 aus den Ausgangssignalen des ersten Tiefpaßfil­ters 4 sowie des Multipliziergliedes 6 gebildet. In das geschwin­digkeitsabhängige Signal für das Multiplizierglied 6 geht ge­mäß (v²/c-g) noch die Erdbeschleunigung g ein. Für die Abgabe des Ansteuersignales sind noch untere Grenzwerte ε₁ für die Winkelgeschwindigkeit ω sowie ε₂ für den Winkel φ der Gleis­überhöhung vorgesehen.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Ansteuersignales für die gleisbogen­abhängige Drehung eines um seine Längsachse drehbar am Fahrgestell eines Schienenfahrzeuges angebrachten Wagenka­stens, gemäß dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 bzw. 6.

[0002] Beim Durchfahren von Gleisbögen wird die maximal zulässige Fahrgeschwindigkeit von Personen befördernden Schienenfahr­zeugen im wesentlichen von zwei Einflußfaktoren bestimmt, nämlich der freien Seitenbeschleunigung, die aus Fahrkomfort­gründen für den Passagier zugelassen ist, sowie der zugelas­senen Überhöhung der kurvenäußeren Schiene. Eine Erhöhung der zulässigen Geschwindigkeit ohne Verletzung der o.g. Grenz­werte ist durch eine Drehung des Wagenkastens gegenüber dem Fahrgestell um seine in Fahrtrichtung orientierte Längsachse möglich. Diese Drehung des Wagenkastens kann entweder passiv durch eine entsprechende Hochlage der Drehachse gegenüber dem Wagenkastenschwerpunkt herbeigeführt oder durch ein aktives Stellglied erzwungen werden. Als Bezugssignal für dieses Stell­glied wird allgemein ein Meßsignal für die Querbeschleunigung b verwendet, welche senkrecht zur jeweiligen Fahrtrichtung so­wie parallel zur Gleisebene gerichtet ist.

[0003] Das Meßsignal für die Querbeschleunigung b enthält neben den trassierungsbedingten, niederfrequenten Anteilen auch höher­frequente Anteile, die aus der Eigendynamik des Fahrzeuges her­rühren. Wird der letztgenannte Signalanteil durch Filterung ent­fernt, so ergibt sich dadurch für den niederfrequenten, tras­sierungsbedingten Anteil eine unerwünschte Zeitverzögerung Um diese zu kompensieren, ist es bekannt, ein Korrektursig­nal zu verwenden, das aus dem Überhöhungsaufbau im Übergangs­bogen, d.h. aus dem orts- bzw. beim Durchfahren zeitveränder­ lichen Verlauf der Überhöhung der äußeren gegenüber der inneren Schiene, abgeleitet wird. Dieser Überhöhungsaufbau kann über einen Kreisel in dem zu regelnden Wagen erfaßt werden.

[0004] Ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung der eingangs genannten Art ist aus der deutschen Patentschrift 22 05 858 bekannt. Gemäß der dortigen Figur 8 sind Meßwertgeber für die Querbeschleuni­gung b, die Fahrtgeschwindigkeit v sowie die Winkelgeschwindig­keit ω um die Wagenlängsachse vorhanden. Das Meßsignal für die Querbeschleunigung b wird zur Unterdrückung höherfrequenter Sig­nalanteile einem Tiefpaßfilter zugeführt. Dies führt zu einer unerwünschten Signalverzögerung. Bei der Erzeugung des gewün­schten Ansteuersignales zur Einleitung der Wagenkastenkippung werden daher zwei Arbeitsphasen unterschieden. In einer ersten Phase wird das Ansteuersignal im wesentlichen von dem Meßsig­nal für die Fahrzeuggeschwindigkeit abgeleitet. Letzteres wird dazu einer Impulsformerschaltung zugeführt, welche ein mit der Fahrzeuggeschwindigkeit treppenförmig ansteigendes Ausgangssig­nal abgibt. Während dieser ersten Phase, welche etwa eine Se­kunde lang andauert, wird das Ansteuersignal demnach nicht in Abhängigkeit von den realen Gegebenheiten der Trasse, d.h. dem real vorhandenen Verlauf der Schienenüberhöhung im Eingangs­bogen der Kurve bestimmt. Diese auf etwas schematische Weise er­folgende Signalbildung ist demnach noch verbesserungsbedürftig.

[0005] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung der eingangs genannten Art bereitzu­stellen, mit deren Hilfe das gewünschte Ansteuersignal auf einfache und effektive Weise erzeugt werden kann, wobei die realen Gegebenheiten des Schienenverlaufs möglichst weitgehend zu be­rücksichtigen sind.

[0006] Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch die in den kenn­zeichnenden Teilen der Patentansprüche 1 bzw. 6 beschriebenen Verfahrens- bzw. Vorrichtungsmerkmale gelöst.

[0007] Demnach wird auch das Meßsignal für die Winkelgeschwindig­keit ω einem Tiefpaßfilter zugeführt, welches analog zu dem­jenigen ausgebildet ist, in dem die höherfrequenten Anteile des Meßsignals für die Querbeschleunigung ausgefiltert werden. Aus dem Meßsignal v für die Fahrzeuggeschwindigkeit wird ein im wesentlichen quadratisch davon abhängiges Geschwindigkeits­signal gebildet und mit dem Ausgangssignal des das Meßsignal für die Winkelgeschwindigkeit ω aufnehmenden Tiefpaßfilters einem Multiplizierglied zugeführt. Das dort gebildete Produkt­signal wird zusammen mit dem gefilterten Meßsignal für die Querbeschleunigung einem Summationsglied zugeführt, welches aus­gangsseitig das gewünschte Ansteuersignal abgibt.

[0008] Zwar weist auch hier das dem Tiefpaßfilter für das Meßsignal der Querbeschleunigung b entnommene Ausgangssignal eine Zeit­verzögerung auf, jedoch wird in das Summationsglied noch das Produktsignal des Multiplikationsgliedes eingeführt, welches auf dem im Übergangsbogen einsetzenden Überhöhungsaufbau mit einer wesentlich größeren Anstiegsgeschwindigkeit reagiert. Dieses Signal ist gleich zu Beginn von den realen Gegebenheiten der gerade durchfahrenen Gleisanlage, repräsen­tiert durch das die beim Einfahren zunehmende Gleisüberhöhung wiedergebende Meßsignal für die Winkelgeschwindigkeit ω , unter Einbeziehung der jeweils vorhandenen Fahrtgeschwindigkeit ab­hängig. Damit wird ein den realen Gegebenheiten sehr gut ange­paßtes, vom hochfrequenten Rauschen befreites sowie die Zeitver­zögerung kompensierendes Ansteuersignal b gewonnen.

[0009] Weitere Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind den Verfahrensunteransprüchen zu entnehmen.

[0010] Bei einer Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 6 ist die o.g. Aufgabe dadurch gelöst, daß dem Meßwertgeber für die Winkelgeschwindigkeit ω ein zweites, zum ersten analoges Tiefpaßfilter nachgeschaltet, ein eingangsseitig mit einem Mul­tiplizierglied und mit dem Ausgang des ersten Tiefpaßfilters ver­bundenes, ausgangsseitig das Ansteuersignal b abgebendes Summa­tionsglied vorhanden ist und das Multiplizierglied eingangssei­tig mit dem Ausgang des zweiten Tiefpaßfilters sowie dem Aus­gang einer Rechenvorrichtung zur Erzeugung eines im wesentlichen vom Quadrat der Fahrzeuggeschwindigkeit v abhängigen Geschwindigkeits­signals verbunden ist.

[0011] Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind den Vorrichtungsunteransprüchen zu entnehmen.

[0012] Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Abbildung näher erläutert. Diese zeigt in schematischer Weise ein Blockschaltbild, welches sowohl das erfindungsgemäße Verfahren als auch die zugehörige Vorrichtung repräsentiert.

[0013] Ein Meßwertgeber 1 gibt an seinem Ausgang ein die Querbeschleuni­gung b repräsentierendes Signal ab. Der Meßwertgeber 1 ist zweck­mäßig am Fahrgestell des Schienenfahrzeuges montiert und mißt die senkrecht zur Fahrtgeschwindigkeit und parallel zur Gleisebene ge­richtete Querbeschleunigung b. Das Ausgangssignal des Meßwertgebers 1 gelangt zu einem Tiefpaßfilter 4, welches erster Ordnung ist, und welches durch in der Regelungstechnik hierfür übliche Komponenten verwirklicht sein kann. Das Ausgangssignal des Tiefpaßfilters 4 wird schließlich einem Summationsglied 7 zugeführt.

[0014] Ein weiterer Meßwertgeber 2, beispielsweise ein Kreisel, mißt die um die Fahrzeugachse auftretende Winkelgeschwindigkeit ω . Das entsprechende Ausgangssignal wird einem zweiten Tiefpaß­filter 5 zugeführt, welches zweckmäßig dieselbe Eckfrequenz 2π/T aufweist. Das Ausgangssignal dieses Tiefpaßfilters 5 ge­langt an den einen Eingang eines Multipliziergliedes 6, dessen Ausgangssignal ebenfalls dem Summationsglied 7 zugeführt wird.

[0015] Ein dritter Meßwertgeber 3 schließlich erzeugt ein die Fahrzeug­geschwindigkeit v repräsentierendes Ausgangssignal, welches ein­mal den beiden Eingängen eines zweiten Multipliziergliedes 8 und zum anderen einem Kennlinienglied 10 zugeführt wird. Das zweite Multiplizierglied 8 erzeugt ein dem Quadrat der Fahr­zeuggeschwindigkeit entsprechendes Ausgangssignal, welches ei­nem dritten Multiplizierglied 9 zugeführt wird. Das Kennlinien­glied 10 erzeugt ein von der Fahrzeuggeschwindigkeit v ab­hängiges, einen reziproken Proportionalitätsfaktor 1/c repräsentie­rendes Ausgangssignale welches an den anderen Eingang des drit­ten Multipliziergliedes 9 gelangt. Wie in dem Block für das Kennlinienglied 10 dargestellt, hat dessen Ausgangssignal für die Fahrzeuggeschwindigkeit v=0 einen bestimmten, vorgebbaren Wert und nimmt hier mit absolut zunehmender Fahrzeuggeschwindig­keit v kontinuierlich ab. Das Ausgangssignal des dritten Mul­tipliziergliedes 9 wird einem zweiten Summationsglied 18 zu­geführt, wo ein die Erdbeschleunigung g repräsentierendes Signal subtrahiert wird. Das sich so ergebende Differenzsignal gelangt schließlich an den anderen Eingang des Multipliziergliedes 6. Dieses Differenzsignal repräsentiert den Ausdruck(v²/c - g).

[0016] Die Struktur dieses Blockschaltbildes basiert auf den folgenden Überlegungen. Die Querbeschleunigung b kann nach der Beziehung zerlegt werden:

Der erste Term dieser Formel enthält bereits die erwünschte Filterung für den Meßwert der Querbeschleunigung. Hierbei bedeutet T die Filterzeitkonstante und p den Differential­operator. Der zweite Term läßt sich folgendermaßen umformen:

Hierbei bedeuten v die Fahrzeuggeschwindigkeit, r den Kurven­radius, g die Erdbeschleunigung sowie φ den Querneigungswin­kel bzw. Überhöhungswinkel der Gleisebene (Überhöhung der in der Kurve äußeren gegenüber der inneren Schiene). Für die trassierungsüblichen Querneigungswinkel ( φ ≦ 0,1 rad) ist die folgende Näherung zulässig:

Mit einer festen Beziehung zwischen Kurvenradius und Quernei­gungswinkel mit dem Proportionalitätsfaktor c gilt:

Hier ist ω die Winkelgeschwindigkeit des Schienenfahrzeugs um seine Längsachse bzw. die zeitliche Änderung des Querneigungs­winkels der Gleisebene. Durch Einsetzen von (6) in (1) ergibt sich:

[0017] Die Struktur dieser Formel für das Ansteuersignal b wird durch das Blockschaltbild wiedergegeben. Dort ist das An­steuersignal b gleich dem Ausgangssignal des Summations­gliedes 7. Eine Auswertung der Trassierung bereits bestehen­der Strecken ergibt, daß die vorstehend angesetzte Bezie­hung (4) mit c = const nur unzureichend erfüllt wird und mit 1/c = f(v), wie in dem Block des Kennliniengliedes 10 graphisch beispielhaft wiedergegeben, eine wesentlich bessere Annäherung erzielt werden kann.

[0018] Beim Einfahren in einen Gleisbogen gelangt das Schienenfahr­zeug im allgemeinen zunächst auf einen Übergangsbogen, in welchem die Krümmung beispielsweise linear von 0 auf einen bestimmten End­wert zunimmt, welcher dann innerhalb des Bogens über eine gewisse Länge konstant gehalten wird, um dann schließlich in einem weiteren Übergangsbogen wieder auf Null abzufallen. Fährt ein Schienenfahrzeug in den Übergangsbogen ein, so er­folgt dort gleich zu Beginn wegen der einsetzenden Quernei­gung eine Drehung des Fahrgestells um seine Längsachse. Die dabei auftretende Winkelgeschwindigkeit ω wird umso höher sein, je größer die momentane Fahrzeuggeschwindigkeit v ist. Während der Querneigungswinkel φ nur allmählich ansteigt, wird die Winkelgeschwindigkeit ω gleich zu Beginn steil an­steigen, bei einem klotoidenförmigen Übergangsbogen etwa einer Sprungfunktion entsprechend. Bei einem bestimmten Verlauf der Fahrzeuggeschwindigkeit v, welche vom Überhöhungsverlauf abhängt, wird keine Querbeschleunigung b auftreten. Dann wird die Zentri­fugalkomponente die durch die Erdbeschleunigung bedingte Kompo­nente gerade kompensieren, und das dem Multiplizierglied 6 vom Summationsglied 18 her zufließende Eingangssignal wird demzu­folge gleich Null sein. Das Summationsglied 7 wird dann an keinem seiner beiden Eingänge ein von Null verschiedenes Ein­gangssignal empfangen, und das an seinem Ausgang zu entnehmende Ansteuersignal b wird demnach ebenfalls gleich Null sein.

[0019] Fährt das Schienenfahrzeug nun mit einer von dem oben ge­schilderten Idealfall abweichenden, insbesondere höheren Fahrzeuggeschwindigkeit v in den Übergangsbogen ein, so er­hält das Tiefpaßfilter 5 sofort ein steil ansteigendes Ein­gangssignal beträchtlicher Höhe. So wird am Ausgang des Tief­paßfilters 5 sofort ein erheblich schneller ansteigendes Signal zur Verfügung stehen als am Ausgang des Tiefpaßfilters 4. In einer ersten Phase wird demnach das Ansteuersignal b am Ausgang des Summationsgliedes 7 vorwiegend durch diesen vom Meßwertgeber 2 für die Winkelgeschwindigkeit ω stammenden Anteil bestimmt sein.

[0020] Da es nicht erwünscht ist, daß die gleisbogenabhängige Wagen­kastensteuerung beim Durchfahren von Weichenfeldern in Bahn­hofsein- und -ausfahrten in Aktion tritt, sind noch Maßnahmen vorgesehen, um die Steuerung erst beim Überschreiten gewisser Grenzwerte zu aktivieren. Hierzu liegen am Ausgang des Summa­tionsgliedes 7 in paralleler Anordnung zwei Schwellwertschal­ter 13, 14, deren Ausgänge anschließend wieder zusammengeführt sind. Der Schwellwertschalter 13 ist geöffnet, solange die vom Meßwertgeber 2 gemessene Winkelge­schwindigkeit ω unterhalb eines vorwählbaren Grenzwertes ε₁ liegt. Ebenso ist der Schwellwertschalter 14 geöffnet, solange der Querneigungswinkel φ unterhalb eines vorbestimmbaren Grenz­wertes ε₂ liegt. Der aktuelle Wert für den Querneigungswinkel φ wird einem Integrator 15 entnommen, welchem an seinem Ein­gang das vom Meßwertgeber 2 abgegebene Signal für die Winkel­geschwindigkeit ω zugeführt wird. Das Ansteuersignal b gelangt also dann zur Weiterverarbeitung, wenn entweder ω oder φ ihre jeweiligen Grenzwerte überschreiten, was im allgemeinen nicht gleichzeitig der Fall sein wird. Abgeschaltet wird die Wagen­ kastensteuerung hingegen erst dann, wenn beide Grenzwerte unterschritten sind. Durch diese Schaltbedingungen werden neben der Abschaltung in Weichen aufgrund der fehlenden Überhöhung im abzweigenden Ast noch zwei weitere erwünschte Effekte erreicht. Einmal ist die gleisbogenabhängige Wagen­kastensteuerung bei Fahrt in der Geraden abgeschaltet, sodaß eine Einkoppelung niederfrequenter Anteile der Laufdynamik in die Wagenkastensteuerung verhindert wird. Zum anderen bleibt die gleisbogenabhängige Wagenkastensteuerung auch bei niedriger Geschwindigkeit in überhöhten Kurven funktions­fähig, wobei im Falle eines signalbedingten Haltes in einer Kurve die dann unerwünschte Überhöhung durch das System kom­pensiert wird.

Ansprüche

1. Verfahren zur Erzeugung eines Ansteuersignales b für für die gleisbogenabhängige Drehung eines um seine Längsachse drehbar am Fahrgestell eines Schienenfahrzeuges angebrachten Wagenkastens, unter Verwendung von Meßsignalen für die Fahr­zeuggeschwindigkeit v, die Winkelgeschwindigkeit ω des Fahr­gestells um seine in Fahrtrichtung orientierte Längsachse und die senkrecht zur Fahrtrichtung sowie parallel zur Gleis­ebene gerichtete Querbeschleunigung b, wobei letzteres Meßsignal einem ersten Tiefpaßfilter zugeführt wird, dadurch gekennzeich­net, daß das Meßsignal für die Winkelgeschwindigkeit ω einem zweiten, dem ersten (4) analogen Tiefpaßfilter (5) zugeführt, dessen Ausgangssignal in einem Multiplizierglied (6) mit einem im wesentlichen dem Quadrat der momentanen Fahrzeuggeschwindig­keit v proportionalen Geschwindigkeitssignal multipliziert und das Ansteuersignal b einem Summationsglied (7) entnommen wird, dessen Eingängen die Ausgangssignale des ersten Tiefpaßfilters (4) sowie des Multipliziergliedes (6) zugeführt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Tiefpaßfilter (4, 5) erster Ordnung mit gleich Eckfrequenzen 2π/T verwendet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Geschwindigkeitssignal gemäß der Vorschrift (v²/c-g) gebildet wird, wobei c die Proportionalitätskonstante in der Beziehung r = c/φ zwischen dem Gleisbogenradius r und dem Winkel φ der Gleisüberhöhung und g die Erdbeschleunigung be­deuten.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine mit der Fahrzeuggeschwindigkeit v veränderliche Pro­portionalitätskonstante c = c (v) gewählt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ansteuersignal b zwei parallel angeordneten Schaltern (13, 14) zugeführt wird, welche jeweils öffnen oder schließen, sobald einmal der Meß­wert für die Winkelgeschwindigkeit ω, zum anderen dessen Zeit­integral (15) vorgebbare Grenzwerte (12, 16) über- bzw. unter­schreiten.

6. Vorrichtung zur Erzeugung eines Ansteuersignales b für die gleisbogenabhängige Drehung eines um seine Längsachse dreh­bar am Fahrgestell eines Schienenfahrzeuges angebrachten Wagen­kastens mit Meßwertgebern für die Fahrzeuggeschwindigkeit v, die Winkelgeschwindigkeit ω des Fahrgestells um seine in Fahrt­richtung orientierte Längsachse und die senkrecht zur Fahrt­richtung sowie parallel zur Gleisebene gerichtete Querbeschleu­nigung b, sowie einem dem letzteren Meßwertgeber nachgeschal­teten, ersten Tiefpaßfilter, dadurch gekennzeichnet, daß dem Meßwertgeber (2) für die Winkelgeschwindigkeit ω ein zweites, zum ersten (4) analoges Tiefpaßfilter (5) nachgeschaltet, ein eingangsseitig mit einem Multiplizierglied (6) und mit dem Aus­gang des ersten Tiefpaßfilters (4) verbundenes, ausgangsseitig das Ansteuersignal b abgebendes Summationsglied (7) vorhanden ist und das Multiplizierglied (6) eingangsseitig mit dem Ausgang des zweiten Tiefpaßfilters (5) sowie dem Ausgang ei­ner Rechenvorrichtung (8, 9, 10, 11, 18) zur Erzeugung eines im wesentlichen vom Quadrat der Fahrzeuggeschwindigkeit v ab­hängigen Geschwindigkeitssignales verbunden ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Rechenvorrichtung aus einem mit seinen beiden Eingängen mit dem Meßwertgeber (3) für die Fahrzeuggeschwindigkeit v verbundenen, zweiten Multiplizierglied (8), einem diesem paral­lel geschalteten Kennlinienglied (10) zur Erzeugung eines Sig­nales für die reziproke Proportionalitätskonstante 1/c(v), ei­nem eingangsseitig die Ausgangssignale des zweiten Multipli­ziergliedes (8) sowie des Kennliniengliedes (10) aufnehmenden, dritten Multiplizierglied (9) sowie einem ein der Erdbeschleu­nigung g (11) entsprechendes Signal vom Ausgangssignal des zwei­ten Mulitpliziergliedes (9) subtrahierenden, zweiten Summations­glied (18) besteht.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß dem ausgangsseitig das Ansteuersignal b abgebenden Summations­glied (7) in paralleler Anordnung zwei Schwellwertschalter (12, 13; 14, 16) nachgeschaltet sind, welche außerdem einmal direkt und zum anderen über einen Integrator (15) mit dem Aus­gang des Meßwertgebers (2) für die Winkelgeschwindigkeit ver­bunden sind.

Zeichnung