KRAFTGEREGELTE SPURFÜHRUNG FÜR EIN SCHIENENFAHRZEUG

Abstract

 Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Steuerung von zumindest einer ersten Achse (2) eines Schienenfahrzeugs, wobei die Achssteuerung eine Aktuatoreinheit (4), ein zu dieser wirkungsmäßig parallel geschaltetes, passives Elastiklager (5) und eine Regeleinrichtung (6) aufweist und die Regeleinrichtung (6) zumindest mit der Aktuatoreinheit (4) zwecks Datenübertragung verbunden ist.
Um vorteilhafte Bedingungen zu schaffen, wird vorgeschlagen, dass von der Regeleinrichtung (6) als Steuer- bzw. Regelgröße für kinetische Zustände des Schienenfahrzeugs ausschließlich eine Ist-Stellkraft (7) der Aktuatoreinheit (4) eingesetzt wird.
Das Verfahren bewirkt den Vorteil, dass auf eine aufwendige und fehleranfällige Erfassung und Verarbeitung von Weg- bzw. Lenkwinkelinformationen für die Achssteuerung verzichtet werden kann.
Durch einen Verzicht auf Sensoren für die Weg- bzw.
Lenkwinkelbestimmung werden die Zahl der Komponenten der Achssteuerung gesenkt und somit deren Bauraumbedarf sowie die Kosten gemindert.
Weiterhin werden dadurch die Robustheit und somit die Verfügbarkeit der Achssteuerung erhöht.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Steuerung von zumindest einer ersten Achse eines Schienenfahrzeugs, wobei die Achssteuerung eine Aktuatoreinheit, ein zu dieser wirkungsmäßig parallel geschaltetes, passives Elastiklager und eine Regeleinrichtung aufweist und die Regeleinrichtung zumindest mit der Aktuatoreinheit zwecks Datenübertragung verbunden ist.

[0002] Fahrwerke für Schienenfahrzeuge müssen eine hohe Fahrsicherheit aufweisen. Diese kann beispielsweise durch die Anordnung einer aktiven Achs- bzw. Rad- oder Radsatzsteuerung verbessert werden. Das gezielte Stellen von Achsen bzw. Rädern oder Radsätzen durch aktive Verdrehung derselben um deren Hochachsen dient in bekannter Weise dazu, instabile Fahrzustände zu verhindern.

[0003] Ferner wird dadurch der Fahrkomfort durch Vermeidung störender Schwingungen in einem Schienenfahrzeug erhöht.

[0004] Dem Rad-Schiene-Kontakt kommt eine besondere, sicherheitsrelevante Bedeutung zu. Unregelmäßigkeiten des Rad-Schiene-Kontakts, z.B. aufgrund der Beschädigung eines Rades, können zu erheblichen Folgeschäden bis hin zu Entgleisungen führen. Auch leichte Beschädigungen, wie z.B. feine Risse können große Schwierigkeiten verursachen, da sie Instandhaltungsarbeiten erforderlich machen, die hohe Kosten und eine eingeschränkte Verfügbarkeit der Schienenfahrzeuge bewirken können.

[0005] Durch den Einsatz einer aktiven Achs- bzw. Rad- oder Radsatzsteuerung wird eine Verminderung des Verschleißes bzw. der Rollkontaktermüdung (Rolling Contact Fatigue, RCF) und somit von Unregelmäßigkeiten des Rad-Schiene-Kontakts bei Rädern und Schienen erzielt.

[0006] Nach dem Stand der Technik beschreibt beispielsweise die EP 0 870 664 B1 ein Verfahren zur Radsatzführung von Schienenfahrzeugen. Beispielhaft wird unter anderem eine Einrichtung gezeigt, bei welcher eine Zweikammer-Fluidbuchse zwischen einem Schwingarm und einem Fahrwerksrahmen angeordnet ist, die eine Relativbewegung zwischen dem Schwingarm und dem Fahrwerksrahmen erzeugt und dadurch einen Radsatz-Stellwinkel einstellt.

[0007] Als Steuergröße für den Radsatz-Stellwinkel werden ein Ausdrehwinkel zwischen dem Fahrwerksrahmen und einem Wagenkasten oder ein Ausdrehwinkel zwischen zwei Radsätzen und dem Wagenkasten verwendet.

[0008] Der genannte Ansatz weist in seiner bekannten Form den Nachteil auf, dass Mess- und Auswerteeinheiten im Zusammenhang mit der Verarbeitung der genannten Ausdrehwinkel, d.h. z.B. Winkelgeber, vorgesehen sein müssen.

[0009] In der EP 2 371 656 A1 wird ein Schienenfahrzeug mit variabler Achsgeometrie vorgestellt. Eine horizontale Winkellage jeder Achse eines Fahrwerks wird während des Betriebs des Schienenfahrzeugs kontinuierlich so eingestellt, dass eine vorgegebene Querverschiebung der Achsen gegeneinander und ein vorgegebener Winkel zwischen den Achsen erzielt wird.

[0010] Der genannte Ansatz weist in seiner bekannten Form den Nachteil auf, dass für eine Ansteuerung von exakten Winkeln aufwendige Winkel- oder Wegmessungen erforderlich sind.

[0011] Die DE 198 61 086 B4 zeigt ein Verfahren für eine lenkende Ausrichtung von drehbar an einem Fahrwerk befestigten Rädern eines Schienenfahrzeugs in einem Gleis, wobei ein Soll-Lenkwinkel der Räder in Abhängigkeit von einer Krümmung des Gleises bestimmt wird.

[0012] Der genannte Ansatz weist in seiner bekannten Form den Nachteil auf, dass das Verfahren als Lenkwinkelregelung ausgeführt ist, die, für eine Überprüfung auf Erreichung bzw. Einhaltung eines Soll-Lenkwinkels Sensoren für die Winkelerfassung, z.B. Winkelgeber, erfordert. Eine Regelung bezüglich einer Rad-Stellkraft ist in dieser Schrift nicht offenbart.

[0013] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren anzugeben.

[0014] Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst mit einem Verfahren der eingangs genannten Art, bei dem von der Regeleinrichtung als Steuer- bzw. Regelgröße für kinetische Zustände des Schienenfahrzeugs, insbesondere für Lenkwinkel γ, ausschließlich eine Ist-Stellkraft der Aktuatoreinheit eingesetzt wird.

[0015] Durch einen Verzicht auf Sensoren für die Weg- bzw. Lenkwinkelbestimmung werden die Zahl der Komponenten einer Achs- bzw. Rad- oder Radsatzsteuerung gesenkt und somit deren Bauraumbedarf sowie die Kosten gemindert.

[0016] Weiterhin werden dadurch die Robustheit und somit die Verfügbarkeit der Achs- bzw. Rad- oder Radsatzsteuerung erhöht.

[0017] Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

[0018] Es zeigen beispielhaft:

Fig. 1:

Eine Seitenansicht einer beispielhaften Ausführung eines Fahrwerks, wobei ein Ausschnitt eines Fahrwerksrahmens, ein Rad sowie ein Schwingarm dargestellt sind und, zwischen dem Fahrwerksrahmen und dem Schwingarm angeordnet, eine Aktuatoreinheit sowie ein Elastiklager gezeigt werden,

Fig. 2:

Ein Funktionsschaubild zu einer beispielhaften Variante eines erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer Aktuatoreinheit, einem Elastiklager, einer Regeleinrichtung, einem Drehratensensor und einem Translationsgeschwindigkeitssensor, und

Fig. 3:

Ein Fahrwerk eines Schienenfahrzeuges mit einem ersten Radsatz mit einer ersten Achse und einem zweiten Radsatz mit einer zweiten Achse in einem Gleisbogen, wobei Abhängigkeiten eines Lenkwinkels von Parametern des Fahrwerks und dessen Bewegungszustands sowie von Parametern des Gleisbogens angegeben sind.

[0019] Ein in Fig. 1 in Seitenansicht dargestellter Ausschnitt einer beispielhaften Variante eines Fahrwerks umfasst einen Ausschnitt eines Fahrwerksrahmens 1 sowie auf einer ersten Schiene 22 ein erstes Rad 8, dessen Mittelpunkt auf einer ersten Achse 2 angeordnet ist.

[0020] Das erste Rad 8 ist über eine nicht gezeigte mechanische Kopplung mit einem nicht dargestellten zweiten Rad 9 verbunden, dessen Mittelpunkt ebenfalls auf der ersten Achse 2 angeordnet ist und das auf einer nicht gezeigten zweiten Schiene 23 aufliegt.

[0021] Weiterhin werden ein Radlager 14, ein Schwingarm 15 und ein Radlagergehäuse 16 gezeigt.

[0022] Zwischen dem Fahrwerksrahmen 1 und dem Schwingarm 15 ist für die Erzeugung einer dynamischen Steifigkeit ein als hydraulische Buchse ausgeführtes, passives Elastiklager 5 mit frequenz- und amplitudenabhängiger statischer und erhöhter dynamischer Steifigkeit vorgesehen.

[0023] Die hydraulische Buchse weist eine stabilisierende, federnde und dämpfende Wirkung vornehmlich in der Ebene ihrer Grundfläche auf, d.h. die Steifigkeit wirkt in Richtung einer Fahrwerkslängsache 17 sowie in Richtung einer Fahrwerkshochachse 18.

[0024] Eine Aktuatoreinheit 4 ist dem Elastiklager 5 bezüglich der mechanischen Wirkungsweise parallel geschaltet. Sie ist hinsichtlich ihrer Lage in einer Weise angeordnet, dass sie eine Ist-Stellkraft 7 erzeugt, die parallel bezüglich der Richtung der Fahrwerkslängsachse 17 wirkt und über die genannte mechanische Kopplung mit dem zweiten Rad 9 eine Verdrehung des ersten Rades 8 um die Fahrwerkshochachse 18 bzw. um eine zu dieser parallelen Drehachse bewirkt.

[0025] Die Aktuatoreinheit 4 weist in dieser beispielhaften Ausführungsvariante einen pneumatischen Aktuator 19 auf, der über nicht dargestellte Aggregate, Leitungen und Ventile mit Druckluft versorgt wird und eine definierte, steuer- bzw. regelbare Ist-Stellkraft 7 erzeugt.

[0026] Fig. 2 stellt eine beispielhafte Variante eines erfindungsgemäßen Verfahrens dar. Es werden funktionale Zusammenhänge zwischen einer Aktuatoreinheit 4, einem Elastiklager 5, einer Regeleinrichtung 6, einem Drehratensensor 20 und einem Translationsgeschwindigkeitssensor 21 gezeigt.

[0027] Die Aktuatoreinheit 4 erzeugt über einen in Fig. 2 nicht dargestellten pneumatischen Aktuator 19 eine Ist-Stellkraft 7 für die Einstellung von Lenkwinkeln γ für eine Achs- bzw. Rad- oder Radsatzsteuerung.

[0028] Das Elastiklager 5 weist eine Steifigkeitscharakteristik c auf, die mathematisch einer nichtlinearen Funktion entspricht.

[0029] Über den Drehratensensor 20 wird eine Giergeschwindigkeit ω eines Fahrwerks gemessen. Sein Einsatz stellt eine vorteilhafte Lösung für die Bestimmung von Gleisbogengeometrien dar. Erfindungsgemäß sind jedoch auch andere Mittel vorstellbar, wie z.B. Ortungssysteme, Kreiselsensoren oder Beschleunigungssensoren.

[0030] Über den Translationsgeschwindigkeitssensor 21 wird eine Translationsgeschwindigkeit v des Fahrwerks gemessen. Deren Erfassung kann jedoch auch über andere Mittel erfolgen, z.B. über ein Multifunction Vehicle Bus - System (MVB), aus dem entsprechende Daten ausgelesen werden können.

[0031] Die Regeleinrichtung 6 umfasst nicht dargestellte Softwaremodule für die Implementierung von Regelungsalgorithmen.

[0032] Die Aktuatoreinheit 4, das Elastiklager 5, der Drehratensensor 20 und der Translationsgeschwindigkeitssensor 21 weisen Datenschnittstellen zu der Regeleinrichtung 6 sowie nicht dargestellte Einrichtungen für die Aufbereitung der über die genannten Datenschnittstellen zu übertragenden Informationen auf.

[0033] Die Regeleinrichtung 6 empfängt in einer Frequenz von größer oder gleich 10 Hz Informationen über die Ist-Stellkraft 7 bzw. entsprechende Ist-Stellkraftdaten DFIst von der Aktuatoreinheit 4, Informationen über die Steifigkeitscharakteristik c bzw. entsprechende Steifigkeitsdaten Dc von dem Elastiklager 5, Informationen über die Giergeschwindigkeit ω bzw. entsprechende Giergeschwindigkeitsdaten Dω von dem Drehratensensor 20 sowie Informationen über die Translationsgeschwindigkeit v bzw. entsprechende Translationsgeschwindigkeitsdaten Dv von dem Translationsgeschwindigkeitssensor 21.

[0034] Bei genanntem Transfer von Steifigkeitsdaten Dc handelt es sich um eine besonders vorteilhafte Lösung. Erfindungsgemäß ist bei Lagern mit bekanntem Steifigkeitsverhalten jedoch auch eine Implementierung von Steifigkeitsverläufen in die Softwaremodule der Regeleinrichtung 6 und somit ein Verzicht auf Datenschnittstellen und Einrichtungen für die Aufbereitung der zu übertragenden Informationen vorstellbar.

[0035] In den Softwaremodulen der Regeleinrichtung 6 werden aus den empfangenen Ist-Stellkraftdaten DFIst, den Steifigkeitsdaten Dc, den Giergeschwindigkeitsdaten Dω und den Translationsgeschwindigkeitsdaten Dv Soll-Stellkraftdaten DFSoll gebildet.

[0036] Dabei wird aus den Giergeschwindigkeitsdaten Dω bzw. einer Giergeschwindigkeit ω sowie aus den Translationsgeschwindigkeitsdaten Dv bzw. der Translationsgeschwindigkeit v über die bekannte Vorschrift, wonach sich ein Krümmungskreisradius als Quotient einer Translationsgeschwindigkeit v und einer Giergeschwindigkeit ω ergibt, zunächst ein Gleisbogenradius R bestimmt.

[0037] Mittels des Gleisbogenradius R sowie einer in Fig. 3 dargestellten halben Radsatzlänge a und eines ebendort gezeigten Achsabstands b wird ein Stellweg s für den in Fig. 1 gezeigten pneumatischen Aktuator 19 der Aktuatoreinheit 4 gebildet. Die entsprechenden Zusammenhänge sind in Fig. 3 dargestellt. Entsprechende Werte für die halbe Radsatzlänge a und den Achsabstand b sind in den Softwaremodulen der Regeleinrichtung 6 implementiert.

[0038] Über die bekannte Vorschrift, wonach sich eine Kraft aus dem Produkt einer Steifigkeit und eines Weges ergibt, wird aus den Steifigkeitsdaten Dc bzw. der Steifigkeitscharakteristik c des Elastiklagers 5 und dem Stellweg s eine Soll-Stellkraft gebildet bzw. Soll-Stellkraftdaten DFSoll für die Aktuatoreinheit 4 erzeugt. Die Soll-Stellkraft ist jene Kraft, die für die Überwindung der Steifigkeit des Elastiklagers 5 und für die Erzeugung des Stellwegs s des pneumatischen Aktuators 19 der Aktuatoreinheit 4 erforderlich ist.

[0039] Entsprechend einem Abgleich der gebildeten Soll-Stellkraft und der momentan wirkenden Ist-Stellkraft 7 wird der in Fig. 1 dargestellte pneumatische Aktuator 19 angesteuert. Hierzu umfasst die Aktuatoreinheit 4 nicht dargestellte Einrichtungen.

[0040] Über den bekannten Zusammenhang zwischen einer Kraft, einer Kolbenfläche und einem Druck wird in dem pneumatischen Aktuator 19 ein Druck erzeugt, der die Soll-Stellkraft erzeugt. Ist die Soll-Stellkraft erreicht und wird gehalten, wird sie formal zur Ist-Stellkraft 7, mit der im darauffolgenden Regelungszyklus gegebenenfalls eine neue Soll-Stellkraft abgeglichen wird.

[0041] Das Verfahren für die Bestimmung der Soll-Stellkraft, die Ansteuerung der Aktuatoreinheit 4 für die Erzeugung der Soll-Stellkraft sowie die Aufbereitung und Übertragung der Ist-Stellkraftdaten DFIst, der Soll-Stellkraftdaten DFSoll, der Steifigkeitsdaten Dc, der Giergeschwindigkeitsdaten Dω sowie der Translationsgeschwindigkeitsdaten Dv erfolgen zyklisch mit einer Frequenz von größer oder gleich 10 Hz.

[0042] Fig. 3 zeigt ein Fahrwerk eines Schienenfahrzeuges mit einem Fahrwerksrahmen 1, einem ersten Radsatz 12 mit einem ersten Rad 8, einem zweiten Rad 9 und einer ersten Achse 2 sowie mit einem zweiten Radsatz 13 mit einem dritten Rad 10, einem vierten Rad 11 und einer zweiten Achse 3 in einem Gleisbogen.

[0043] Es sind eine erste Schiene 22 und eine zweite Schiene 23 dargestellt.

[0044] Weiterhin sind ein Gleisbogenradius R des Gleisbogens, ein Lenkwinkel γ bezogen auf eine Verdrehung des ersten Radsatzes 12 um seine Hochachse, ein Achsabstand b und eine halbe Radsatzlänge a des ersten Radsatzes 12 dargestellt.

[0045] Über eine Bildungsformel 24 wird durch Umformung in einen Ergebnisterm 25 ein Stellweg s für den in Fig. 1 gezeigten pneumatischen Aktuator 19 der Aktuatoreinheit 4 bestimmt.

[0046] Die Bildungsformel 24 verwendet die zulässige Linearisierung, wonach bei kleinen Winkeln die Sinusfunktion und die Tangensfunktion eines Winkels gleich dem Winkel selbst gesetzt werden können.

[0047] Der Sinus des Lenkwinkels γ wird als Quotient aus der Hälfte des Achsabstands b und dem Gleisbogenradius R gebildet, der Tangens des Lenkwinkels γ aus dem Stellweg s und der halben Radsatzlänge a.

[0048] Unter Berücksichtigung der genannten Linearisierung werden der Term für den Sinus des Lenkwinkels γ und der Term für den Tangens des Lenkwinkels γ gleichgesetzt, d.h. der Lenkwinkel γ ist eine reine Rechengröße und muss nicht gemessen und verarbeitet werden.

[0049] Über einen Umformung in den Ergebnisterm 25 wird der Stellweg s als Quotient aus dem im Zähler stehenden Produkt der halben Radsatzlänge a und dem Achsabstand b sowie dem im Nenner stehenden Zweifachen des Gleisbogenradius R bestimmt.

[0050] Der Stellweg s wird in dem im Zusammenhang mit Fig. 2 beschriebenen Verfahren für die Bestimmung einer Soll-Stellkraft verwendet.

Liste der Bezeichnungen

[0051] 

1

Fahrwerksrahmen

2

Erste Achse

3

Zweite Achse

4

Aktuatoreinheit

5

Elastiklager

6

Regeleinrichtung

7

Ist-Stellkraft

8

Erstes Rad

9

Zweites Rad

10

Drittes Rad

11

Viertes Rad

12

Erster Radsatz

13

Zweiter Radsatz

14

Radlager

15

Schwingarm

16

Radlagergehäuse

17

Fahrwerkslängsachse

18

Fahrwerkshochachse

19

Pneumatischer Aktuator

20

Drehratensensor

21

Translationsgeschwindigkeitssensor

22

Erste Schiene

23

Zweite Schiene

24

Bildungsformel

25

Ergebnisterm

γ

Lenkwinkel

c

Steifigkeitscharakteristik

v

Translationsgeschwindigkeit

ω

Giergeschwindigkeit

R

Gleisbogenradius

b

Achsabstand

a

Halbe Radsatzlänge

s

Stellweg

Dc

Steifigkeitsdaten

Dω

Giergeschwindigkeitsdaten

Dv

Translationsgeschwindigkeitsdaten

DFIst

Ist-Stellkraftdaten

DFSoll

Soll-Stellkraftdaten

Ansprüche

1. Verfahren zur Steuerung von zumindest einer ersten Achse eines Schienenfahrzeugs, wobei die Achssteuerung eine Aktuatoreinheit, ein zu dieser wirkungsmäßig parallel geschaltetes, passives Elastiklager und eine Regeleinrichtung aufweist und die Regeleinrichtung zumindest mit der Aktuatoreinheit zwecks Datenübertragung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet,
dass von der Regeleinrichtung (6) als Steuer- bzw. Regelgröße für kinetische Zustände des Schienenfahrzeugs, insbesondere für Lenkwinkel γ, ausschließlich eine Ist-Stellkraft (7) der Aktuatoreinheit (4) eingesetzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ist-Stellkraft (7) aus Informationen über zumindest eine bekannte Eigenschaft des Schienenfahrzeugs, insbesondere über eine Steifigkeitscharakteristik c des Elastiklagers (5), sowie aus Informationen über eine Gleisgeometrie gebildet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ist-Stellkraft (7) aus Informationen über zumindest eine bekannte Eigenschaft des Schienenfahrzeugs, insbesondere über eine Steifigkeitscharakteristik c des Elastiklagers (5), sowie aus Informationen über Bewegungszustände des Schienenfahrzeugs, insbesondere über eine Translationsgeschwindigkeit v, gebildet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass über die Ist-Stellkraft (7) der Lenkwinkel γ gesteuert bzw. geregelt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass als bekannte Eigenschaft des Schienenfahrzeugs die Steifigkeitscharakteristik c des Elastiklagers (5) eingesetzt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass kinetische Zustände zumindest eines ersten Losradsatzes eingestellt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass kinetische Zustände zumindest eines ersten Radsatzes (12) eingestellt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildung von Informationen mittels zumindest eines Translationsgeschwindigkeitssensors (21) erfolgt.

9. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildung von Informationen mittels zumindest eines Ortungssystems erfolgt.

10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildung von Informationen mittels zumindest eines Drehratensensors (20) erfolgt.

11. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildung von Informationen mittels zumindest eines Kreiselsensors erfolgt.

12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gleisbogenradius R als Quotient einer Translationsgeschwindigkeit v und einer Giergeschwindigkeit zumindest eines Fahrwerks des Schienenfahrzeugs bestimmt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Gleisbogenradius R sowie einer halben Radsatzlänge a und eines Achsabstands b des zumindest einen Fahrwerks ein Stellweg s für die Aktuatoreinheit (4) gebildet wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Steifigkeitscharakteristik c des Elastiklagers (5) und dem Stellweg s für die Aktuatoreinheit (4) eine Soll-Stellkraft zur Steuerung bzw. Regelung der Ist-Stellkraft (7) gebildet wird.

Zeichnung