AT500703A1

AT500703A1 - Pendelsystem für schienenfahrzeuge

Info

Publication number: AT500703A1
Application number: AT185495A
Authority: AT
Inventors: Ortiz Jose German Gimenez; Amigot Juan Felix Garcia
Original assignee: Construcciones Y Aux De Ferroc
Priority date: 1995-11-10
Filing date: 1995-11-10
Publication date: 2006-03-15
Also published as: AT500703B1

Description

Pendelsystem für Schienenfahrzeuge Pendelzüge stellen eine Lösung für die Gewährleistung des Fahrkomforts bei Kurvenfahrten mit hohen Geschwindigkeiten dar. Die Geschwindigkeitserhöhung in der Kurve führt allerdings auch zu einer Zunahme der Reibungsbeanspruchung zwischen Rad und Schiene, wodurch ineistens verhindert wird, dass alle Möglichkeiten zur Geschwindigkeitserhöhung durch das Pendelsystem ausgeschöpft werden können.
Die Wirkungsweise der bisher konstruierten Pendelzüge basiert auf der Erkennung und Identifizierung der Merkmale einer durchfahrenen Kurve in Echtzeit. Dazu verwenden die Züge Parameter, die in Bezug zum dynamischen Ansprechverhalten des Fahrzeugs stehen, z.B. Geschwindigkeit und Beschleunigung, die on den im Zug angebrachten Sensoren gemessen werden.

Wenn unter den Signalen, die durch Gleisstörungen erzeugt und von Bordsensoren (normalerweise Winkelgeschwindigkeits- und Beschleunigungsmesser) gcres-,<:>en werden, ein Einlauf in einen Gleisbogen festgestellt wird, erfolgt eine Einwirkung auf die Pendelvorrichtungen, und damit wird eine Neigung des Fahrzeugs gegenüber dem Drehgestell über vorgegebene Steuerungsstrategien erzeugt.
Diese Wirkungsweise bringt eine Reihe von Nachteilen mit sich, die im folgenden aufgezählt werden:
- Die Identifizierung der Kurve erfolgt definitionsgemäss mit Verzug.

Es ist immer ein bestimmtes Zeitintervall erforderlich, bis das System feststellen kann, dass es sich in einer Kurve befindet.
- Der Algorithmus der Fahrzeugneigung, den die derzeit eingesetzten Pendelsysteme erzeugen, ist unter dem
Gesichtspunkt des Fahrkomforts für die Reisenden nicht optimal.
- Die vorweggenommene Wirkung des Systems, soweit ein solches vorhanden ist, ist unabhängig von der Art der herannahenden Kurve .
Um diese Unannehmlichkeiten zu vermeiden, geht das hier als Erfind[upsilon].ngsgegenstand vorgestellte System von der ständigen Vorkenntnis des Laufwegs aus und verwendet dafür eine Einrichtung (das sogenannte Positionsdetektorsystem SDP) , das die Zugposition ständig mit einer Genauigkeit von wenigen Metern erkennt;

es besteht aus einer intelligenten Steuereinheit, die mit einem parametrisierten Befehlsalgorith[alpha]ius programmiert wird, das man über die Anwendung eines konventionellen Programms der dynamischen Simulation des Kurvenverhaltens des Fahrzeugs erhält; in diesem Programm ist eine Berechnung der umgekehrten Dynamik vorhanden.. wobei festgelegt wiv[alpha], dass der dynamische Parameter die Seitenbeschleunigung des Reisenden im Fahrzeug nach einer vorgegebenen Funktion ist.
Figur 1 ist ein Blockdiagramm des erfindungsgemässen Systems .
Figur 2 ist eine schematische Darstellung einer praktischen Ausführung der Erfindung, bei der Drehgestellrahmen und Wagenkasten über eine Aufhängung gelenkig verbunden werden.
Figur 3 ist eine Schnittansicht einer weiteren praktischen Ausführung der Erfindung.

Figur 4 ist eine schematische Sicht des Pendelstellglieds aus Figur 3.
Figur 5 ist eine Koordinatendarstellung eines Beschleunigungsverlaufs (a) , das vom System zu verwenden ist.
Im folgenden wird ein Beispiel einer praktischen Ausführung dieser Erfindung beschriebenl das nicht einschränkend verstanden werden darf. Andere Ausführungen sind keineswegs ausgeschlossen, wenn die zusätzlich eingeführten Änderungen den Kern des Systems nicht verfälschen.

Diese Erfindung umfasst vielmehr alle ihre Varianten.
Dieses Pendelsystem besteht aus den folgenden Komponenten (Figur 1) :
- [upsilon]as Positionsdetektorsystem (1) (als SDP bezeichnet) bestimmt kontinuierlich die Geschwindigkeit und die absolute Position des Fahrzeugs auf dem Gleis. - Die Pendelsteuereinheit (2) (UCB) erzeugt die Pendelanweisungen und steuert deren Ausführung in Echtzeit.
- Das Achsausrichtungssystem (3) , das die Seitenbeanspruchuii ti: zwischen Rad und Schiene an den zwei Achsen ein und desselben Drehgestells ausgleicht und ausserd r[alpha] deren Maximalwert in der Kurve verringert.

Auf diese Weise wird die Fahrzeuggeschwindigkeit in der Kurve gesteigert.
- Die Pendelstellglieder (4) führen den von der UCB erzeugten Pendelbefehl mechanisch aus.
- Fahrzeug (6) . - Ein Speichermodul (5) , in dem die Strecke in Streckenabschnitte unterteilt ist, die durch ihre Parameter, wie z.B. absolute Position, Krümmungsradius, Länge jedes Kurvenabschnitts, Überhöhung, identifiziert sind.
Jede Kurve hat einen Einlauf-Ubergangsbogen (cte) , die eigentliche Kurve (c) und einen Auslauf-Ubergangsbogen (cts) (Figur 5) . In dem Modul (5) werden die Kurvenabschnitte identifiziert, in denen das Pendelsystem aktiviert wird.
Die Punktionsweise des Pendelsystems ist wie folgt: Das Positionsdetektorsystem (1) meldet an die Steuereinheit der Pendeleinrichtung (2) die absolute Istposition und die Betriebsgeschwindigkeit des Fahrzeugs.

Die Steuereinheit (2) empfängt diese Information und fragt den Streckenspeicher (5) nach den Streckenparametern an diesem Punkt des Streckenverlaufs ab. Wenn diese Position mit einem Kurvenabschnitt zusammenfällt, in dem das Pendelsystem aktiviert werden soll, wird ein Anweisungssignal (cur) für die Pendelstellglieder<(>4 ) und für das Achsausrichtun[sigma]stiystem (3) erzeugt, wobei einem Algorithmus gefolgt wird, der abhängig von der Betriebsgeschwindigkeit und d[beta] ;-'r ma] en des Streckenverlaufs parametrisiert ist.
Dieser parametrisierte Algorithmus ist eine in folgender Weise standardisierte Funktion (cur) in Abszissen und Ordinaten:

cur = func-par m(vcx, t , R,per,p i::
Dabei ist cur func-param vel
Lt R
per pos
Funktionswerte Funktion der Parameter Betriebsgeschwindigkeit des
Fahrzeugs
Länge des Übergangsbogens
Krümmungsradius des
Streckenverlaufs
Kurvenüberhöhung absolute Position, für die cur ermittelt wird. Die Parametrisierung wird erreicht, indem z.B. Polynome oder harmonische Funktionen verwendet werden.
Der parametrisierte Algorithmus (func-param) ist für alle Kurven und jeden Fahrzeugtyp identisch.

Um die Funktionswerte (cur) zu erhalten, genügt es, jeweils die Werte von vel, Lt, R, per und pos in die obige Formel einzusetzen.
Dieser parametrisierte Algorithmus bzw. dieser Algorithmus des Kurvenverhaltens des Fahrzeugs wird vom Benutzer als der am besten an den vom Fahrzeug zu durchfahrenden Streckenverlauf angepasste Algorithmus definiert und hängt von den dynamischen Fahrzeugmerkmalen, vom verwendeten Stellgliedtyp sowie vom physikalischen Standort ab und kann auf traditionelle Weise über theoretische und praktische Analysemethoden gewonnen werden.
Ein Beispiel, wie man diesen parametrisierten Algorithmus in einem konkreten Fall erreicht, sei hier gegeben:

Aufgrund des zu durchfahrenden Typs des Streckenverlaufs, der dynamischen Fahrzeugmerkmale, des Stellgliedtyps und dessen Lage im Fahrzeug erfolgt. eine y-.[alpha][alpha]nische Computersimulation des Kurvenverhaltens des Fahrzeugs.
Diese (traditionellen) Simulationsprogramme enthalten neben anderen nützlichen Funktionen ein Rechenpaket der umgekehrten Dynamik. Mit dieser Funktion ist es möglich, den Algorithmus (Funktionsalgorithmus) zu ermitteln, dem ein Befehlssignal eines Stellglieds folgen muss, damit ein dynamischer Parameter des Fahrzeugs einem vorbestimmten Algorithmus folgt. Das hei&st, wenn das Ansprechverhalten auf das Problem von vornherein bekannt ist (der vorgegebene Algorithmus für einen dynamischen Fahrzeugparameter) , muss man die Problemfrage erhalten können (Algorithmus des Stellglieds) .

Der erhaltene Algorithmus wird über eine herkömmliche Methode angepasst und parametrisiert , wie z.B. durch die Verwendung von Polynomen oder harmonischen Funktionen.
Bei diesem Pendelsystem ist der als Zielwert festgelegte, vorgegebene Algorithmus ein trapezförmiger Verlauf für die seitliche Beschleunigung (a) , die der Reisende (Figur 5) erfährt. Die Form dieser Kurve ist zum Profil des Krümmungsverlaufs (1/R) proportional, und die Amplitude der maximalen seitlichen Beschleunigung (amax) des Reisenden ist z.B. auf 0,65 m/s^ begrenzt.
cte = Einlauf-Ubergangsbogen c = eigentliche Kurve cts = Auslauf -Ubergangsbogen
Pa = absolute Position
Die Stellglieder (4) sind die Elemente, die das Pendeln erzeugen. Diese sind zwischen dem Drehgestellrahmen (8) und direkt oder indirekt dem Fahrzeugkasten (7) angebracht.

Es kann sich um verschiedene Antriebstypen handeln, z.B. hydraulisch, elektromechanisch u.a.. Um auf den Kasten (7) die gewünschte Pendelwirkung auszuüben, können verschiedene mechanische Elemente .>::<'>- r,chen dem Drehgestell v.fid. dem Kasten vorgesehen werden, die eine relative Drehung zwischen beiden sicherstellen. Ausserdem sind einige Drehgeber (9) eingebaut, welche die Steuereinheit UCB (2) rückkoppeln.
Im folgenden werden zwei praktische, keineswegs einschränkende Anwendungsbeispiele der mechanischen Konfiguration eines Fahrzeugs mit Pendelsystem beschrieben: gelenkig verbundene Konfiguration und Konfiguration mit überhöhter Aufhängung .
Konfiguration 1: gelenkig verbunden (Figur 2).

Diese Konfiguration basiert auf der Anbringung eines gelenkig verbundenen Pendelquerbalkens (10) zwischen dem Drehgestellrahmen (8) und dem Kasten eines Schienenfahrzeugs durch eine Aufhängung, z.B. mittels der Pleuelstangen (11) . Auf diesem pendelnden Querbalken (10) liegt die Basis der vertikalen Sekundäraufhängung auf, die ein herkömmlicher Federtyp oder pneumatisch sein kann. Die einzige relative Bewegung, die zwischen dem Drehgestellrahmen und dem pendelnden Querbalken zulässig ist, ist die Drehung in Betriebsrichtung (Drehung um Längsachse) .
Konfiguration 2: überhöhte Sekundäraufhängung (Figuren 3 und 4) .
Eine weitere mögliche Konfiguration für die Pendeleinrichtung besteht im Anbringen von zwei Pendel[epsilon]tellgliedern (4) in einem herkömmlichen Drehgestell zwischen dem Drehgestellrahmen (8^) und der Basis (b) der vertikalen Sekundäraufhängung (13) .

Die Aufgabe dieser Stellglieder (4) ist es, eine relative Verschiebung der Basis (b) der vertikalen Sekundäraufhängung gegenüber dem Drehgss eilrahmen (81) zu erzeugen.
Im folgenden wird ein Anwenduncü^ir iel dieser Lösurg beschrieben. Hier sind zwei Hydraulikzylinder eingebaut:, die mit einfacher- Wirkung und als Dämpfer einerseits den schraubenförmigen Federn (15) der Sekundäraufhängung eines herkömmlichen Reisezugdrehgestells aufliegen.

Der Zylinderkörper befindet sich im Innenraum der Feder.
Der Nachteil dieser Lösung besteht darin, dass der Zylinder (14) das Gewicht des Kastens (7) tragen muss, der sich auf ihm befindet.
In Figur 3 wird der Querschnitt eines herkömmlichen Drehgestells dargestellt, das mit einer vertikalen Aufhängung des Federtyps ausgerüstet ist, aus welcher der Aufbau des Pendelzylinders erkenntlich wird, der auf dieser Konfiguration beruht.
Es ist ersichtlich, dass statt dem Verlauf der Seiten- und Winkelbeschleunigung der Verlauf der Geschwindigkeit oder der Bewegung (muss nur abgeleitet werden) des Fahrzeugs/Reisenden vorbestimmt werden kann, oder bei der nicht kompensierten Beschleunigung die nicht durch die Schwerkraft ausgeglichene Seitenbeschleunigung, oder eine andere entsprechend Variable.

Claims

A N S P R U C H E 1. Pendelsystem für ein Schienenfahrzeug., gekennzeichnet durch : a) ein Speichermodul, bei dem jede Strecke in Abschnitte unterteilt ist, die zumindest durch die Parameter Krümmungsradius, Kurvenlänge, Kurvenüberhöhung und absolute Position gekennzeichnet sind; b) ein Positionsdetektorsystem, das immer die Parameter der Geschwindigkeit und der absoluten Istposition des Fahrze gs meldet an c) eine intelligente Steuereinheit, in der ein Funktionsalgorithmus festgelegt ist, der über die Werte der Parameter quantifiziert wird, die vom Speichermodul und dem Positionsdetektorsystem empfangen werden, wobei ein Anweisungsalgorithmus festgelegt wird, der gesendet, wird, an d) F ridc s ellglied--.. - i[omicron] zwischen dem DrehgesteiJ rahmen und direkt/indirekt dem Wagenkasten angebracht dind, \>'o[pi][iota]it erreicht wird, dass eine Variable, die direkt/ indirekt mit der nicht ausgeglichenen Fahrzeugbeschleunigung verbunden ist, sich an einen vorgegebenen Verlauf anpasst .

1. Neigevorrichtung für den auf Drehgestellrahmen (8) gelagerten Wagenkasten (7) eines Schienenfahrzeuges (6), beinhaltend eine Speichereinheit (5) für die Speicherung der Parameter, der in einzelne Abschnitte unterteilten, vom Schienenfahrzeug (6) zu durchfahrenden Strecke, wie Kurvenradius, Kurvenlänge, Kurvenüberhöhung und absoluter Position, ein Lagedetektorsystem (1) für die kontinuierliche Erfassung der Fahrzeugparameter, nämlich der Geschwindigkeit und der IST-Position des Schienenfahrzeuges (6), eine zur Bestimmung eines oder mehrerer Steuersignale ausgebildete Steuereinheit (2), welche von der in der Speichereinheit (5) gespeicherten Information und den im Lagedetektorsystem (1 ) erfassten Fahrzeugparametern beeinflusst ist und die erforderliche Neigung des Schienenfahrzeuges (6) ermittelt, und eine zwischen dem Drehgestellrahmen (8) und dem Wagenkasten (7)

angeordneten, die Neigungsverstellung bewirkenden Betätigungseinrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Bestimmung der Steuersignale eine an sich bekannte inverse dynamische Ermittlung, basierend auf der Ermittlung der erforderlichen Neigung des Schienenfahrzeuges

(6) benutzt wird, und die erwähnten Steuersignale der die Neigung bewirkenden Betätigungseinrichtung angewendet werden, um eine Neigung des Schienenfahrzeuges (6) derart zu bewirken, dass die seitliche Beschleunigung eines Fahrgastes im Schienenfahrzeug einem vorbestimmten Profil entspricht.

2. Neigevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (2) zusätzlich von Messeinrichtungen (9) für die relative Drehung zwischen dem Wagenkasten

(7) und dem Drehgestellrahmen (8) beeinflusst ist.

2. Pendelsystem für Schienenfahrzeuge nach vorstehendem

Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass es eine

Messeinrichtungen für die relative Drehung zwischen dem Fahrzeugkasten und dem Drehgestellrahmen aufweist, die ihre Signale an die Steuereinheit senden.

3. Neigevorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein das Ungleichgewicht der seitlichen Beanspruchung zwischen Rad und Schiene verringerndes Achsausrichtungssystem (3) vorgesehen ist, welches von der Steuereinheit gesteuert ist.

3. Pendelsystem für Schienenfahrzeuge nach den vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Wirkung auch auf ein Achsausrichtungssystem ausgedehnt wird, womit das Ungleichgewicht der seitlichen Beanspruchungen zwischen Rad und Schiene an den beiden Achsen desselben Drehgestells verringert wird.

4. Neigevorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Wagenkasten (7) und dem Drehgestellrahmen (8) ein pendelnder Querbalken (10) vorgesehen ist, der über eine Aufhängung gelenkig mit dem Drehgestell verbunden ist, und

NACHGEREICHT Querbalken (10) wirken.

4. Pendelsystem für Schienenfahrzeuge nach 'dem ersten Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem

Fahrzeugkasten und dem Drehgestell ein pendelnder Querbalken vorgesehen ist, der über eine Aufhängung gelenkig mit dem Drehgestell verbunden ist, wobei die Stellglieder zwischen dem Drehgestell und eT: pendelnden Querbalken wirken.

5. Neigevorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Stellglieder (4) zwischen dem Drehgestellrahmen (8) und einer vertikalen Sekundäraufhängung (13) angeordnet sind.

5. Pendelsystem für Schienenfahrzeuge nach dem erster, Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellglieder zwischen dem Drehgestellrahmen und der Basis der vertikalen Sekundäraufhängung angeordnet sind.

6. Pendelsystem für Schienenfahrzeuge nach dem fünfterAnspruch, dadurch gekennzeichnet, ^^s jed -.. Stellglied einen Hydraulikzylinder als Dämpfer aufweist, der einends einer F^de der Sekundäraufhängung aufliegt.

7. Pendelsystem für Schienenfahrzeuge nach dem ersten Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass in der intelligenten Steuereinheit ein parametrisierter Funktionsalgorithmus festgelegt ist, der aus der Anwendung eines herkömmlichen Programms der dynamischen Simulation des Kurvenverhaltens des Fahrzeugs erhalten wurden, indem die Berechnung der umgekehrten Dynamik vorgenommen wurde, wobei festgelegt ist, dass der dynamische Parameter dieSeitenbeschleunigung des Reisenden des Fahrzeugs gemäss einem vorgegebenen Verlauf ist .

Wien, am 10. November 1995

CONSTRUCCIONES Y AUXILIAR

DE FERROCARRILES, S.A. -CAFdurch:

PATENTANWÄLTE

Dipf-Ihg. Leo BRAUNEISS Dipl-lhg. Dr. Helmut WILDHACK Dipssrljig. Dr. Gerhard JELLINEK

A-10M Wiwi. ndsträsser Hauptstrasse 50

re: Osterreichische Patentanmeldung 1854/95, Kl. B61F

CONSTRUCCIONES Y AUXILIAR DE FERROCARRILES, S.A. - CAF

Patentansprüche:

6. Neigevorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Stellglied (4) einen hydraulischen Dämpfungszylinder (14) aufweist, der an seinem Ende an einer Feder (15) der Sekundäraufhängung (13) aufliegt.

Wien, am 12. Dezember 2005

CONSTRUCCIONES Y AUXILIAR DE S.A. -CAF <EMI ID=13.1>

NACHGEREICHT