EP0936125A2 - Verfahren zur Spurführung von Achseinheiten eines Schienenfahrzeugs und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Verfahren zur Spurführung von Achseinheiten eines Schienenfahrzeugs und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens Download PDF

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EP0936125A2
EP0936125A2 EP99102259A EP99102259A EP0936125A2 EP 0936125 A2 EP0936125 A2 EP 0936125A2 EP 99102259 A EP99102259 A EP 99102259A EP 99102259 A EP99102259 A EP 99102259A EP 0936125 A2 EP0936125 A2 EP 0936125A2
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EP
European Patent Office
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active
wheels
relative
control
vehicle
Prior art date
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Withdrawn
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EP99102259A
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EP0936125A3 (de
Inventor
Moritz Gretzschel
Alfred Dr. Jaschinski
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Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt eV
Original Assignee
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt eV
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Publication of EP0936125A2 publication Critical patent/EP0936125A2/de
Publication of EP0936125A3 publication Critical patent/EP0936125A3/de
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    • 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
    • B61F3/00—Types of bogies
    • B61F3/16—Types of bogies with a separate axle for each wheel
    • 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
    • B61F5/383—Adjustment controlled by non-mechanical devices, e.g. scanning trackside elements

Definitions

  • the invention relates to a method for tracking Axle units of a rail vehicle and a device to carry out the procedure.
  • An assembly is referred to below as an axis unit, which contains two opposite rail wheels, which in contrast to the rigid shaft of the conventional wheel set mechanically or electrodynamically coupled in this way are that a free interference in the transmitted from wheel to wheel Torque and thus influencing the relative movement the wheels to each other is possible.
  • a speed difference between the wheels of an axle is to be specified in DE 22 59 035 A1 a drive of a wheel set proposed via a differential gear, the Gearbox cage is assigned to an electric motor.
  • the motor is directly on in this proposal the axle shaft rotates with it.
  • the unsprung mass is again increased and it results additional electrical and vibration problems.
  • the object of the invention is to avoid the disadvantages of the approaches described above a method for Tracking or for passive, semi-active or active influencing to realize the driving dynamics of vehicles.
  • this is a method for tracking of axle units of a rail vehicle according to the generic term of claim 1 by the features in its characterizing Part reached.
  • the other claims relate on the device for performing the method.
  • a relative torque to influence the relative speed initiated in a method for tracking of a rail vehicle between the two wheels of an axle unit a relative torque to influence the relative speed initiated, and various regulations are regulated active, semi-active or passive characteristics set.
  • the solution according to the invention is thus characterized from that one between the two wheels of an axle unit acting relative moment regardless of their current one Relative movement with the help of energy supplied from outside can be influenced as desired.
  • the waves of electric motors used for the drive is, according to a first advantageous device for performing the The inventive method depending on the respective drive or braking torque by appropriate controls the drive motors a relative torque to influence the Relative speed of the wheels superimposed and there are over a Regulation different active characteristics set.
  • the Servo motor with a fixed housing outside the drive unit and thus largely separated from the crowd the axis unit and its vibrations.
  • directed engine torque becomes one possible relative movement of the wheels in one direction of rotation some resistance opposed in the other Direction of rotation, however, a lower resistance, or it will supports the relative movement.
  • a relative movement results always only as a result of an unbalanced moment balance of the frictional forces acting on the wheel contact point generated moments and the respective engine torque.
  • the servomotor 2 drives with one on its output shaft seated sun gear 3 over planet gears 4, of which in 1 only two are shown for the sake of simplicity an internal toothing ring gear 5, which by schematically indicated connecting elements 11 with a Bevel gear 6 is connected.
  • Fig.1 is about another Bevel gear 7 driven the left gear 1l, which rotates with a half wave 10l is connected.
  • the planet gears 4 arranged in the ring gear 5 are by means of a planet carrier 8 at a predetermined distance kept from each other and to each other.
  • a planet carrier 8 With the planet carrier 8 is a, in the schematic diagram shown with the Output shaft of the servo motor 2 aligned shaft 8 'is provided, with the end facing away from the planet carrier a bevel gear 9 is rotatably connected.
  • the bevel gear 9 stands in meshing engagement with a bevel gear 12, which in turn rotationally fixed with a half shaft 10r of the right one in the sketch Rades 1r is connected. This results in one rotation of the planet carrier 3, a rotational movement of the right wheel 1r.
  • Figure 2 is a signal flow diagram for a semi-active control the driving stability using the example of a mechanical overlay reproduced.
  • a limiter for a relative torque to be transmitted for example a superposition gear 20 is provided, that in construction, for example, that described with reference to Fig.1 Gear can correspond.
  • the superposition gear 20 is, for example, the servo motor 2 corresponding motor 22 in FIG.
  • a suitable in 2 not shown sensor a side deflection y of the wheel 1l and also not shown Sensors both the yaw angle ⁇ and the yaw or
  • a unit 40 in which the amplitude of a wobble movement is formed.
  • the measured lateral deflection y and the relative speed difference n rel taken from the motor 22 are applied to a unit 30, in which the amount of the mean lateral deviation of a vehicle equipped with the illustrated axle unit is formed.
  • the output values of the two units 30 and 40 are applied to a controller 50 via a summing element 60.
  • is at the output of the controller 50 max which is applied to the motor 22 assigned to the superposition gear 20.
  • FIG. 3 shows a signal flow diagram for an active control of a vehicle running using the example of an electro-dynamic superimposition.
  • the wheels 1'l and 1'r are rotatably connected to unspecified shafts of a drive motor 70l and 70r.
  • the speeds n l and n r of the two drive motors 70l and 70r are combined via a summing element 61 together with the quantities taken from the wheel 1'l, for example the lateral deflection y, the yaw angle ⁇ and the yaw or angular velocity ⁇ ⁇ Control unit 80 is created, in which the relative torque M rel is formed.
  • the relative torque M rel / 2 present at the output of the control unit 80 is applied to an input of summing elements 62 or 63.
  • a total drive torque M tract formed in a further controller 81 is applied to the other input of the summing elements 62 and 63.
  • the output variables M l and M r of the summing elements 62 and 63 are applied to the drive motors 70l and 70r, respectively assigned control units 90 and 90 ', which can be designed as inverters, for example. With the output currents I l and I r of the two control units 90 and 90 'there is a corresponding electro-dynamic superimposition in the two or in one of the two drive motors 70l and 70r of the wheels 1'l and 1'r.
  • the method according to the invention can also be used for a short time occurring faults are corrected.
  • one can such disorder through targeted, active application a relative torque between the two wheels of an axle unit, for example wheels 1l and 1r in the schematic diagram, be counteracted.
  • a relative torque between the two wheels of an axle unit for example wheels 1l and 1r in the schematic diagram, be counteracted.
  • the cross slip is primarily influenced by the turning angle (yaw angle) of the axle unit, which can be determined, for example, using displacement sensors can.
  • the longitudinal slip can be determined by the speeds of the Wheels of an axle unit, for example wheels 1l and 1r determine in the schematic diagram, as well as from the driving speed.

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Abstract

Zur Spurführung von Achseinheiten eines Schienenfahrzeugs, bei dem die Räder jeder Achseinheit drehfest mit jeweils einer Halbwelle verbunden sind, wird zwischen den beiden Rädern einer Achseinheit ein Relativmoment zur Beeinflussung der Relativdrehzahl eingeleitet. Über eine Regelung werden verschiedene aktive, semi-aktive oder passive Charakteristiken eingestellt. Wenn die Halbwellen mindestens einer Achseinheit die Wellen von zum Antrieb verwendeten Elektromotoren sind, wird unabhängig vom jeweiligen Antriebs- oder Bremsmoment durch entsprechende Ansteuerung der Antriebsmotore ein Relativmoment zur Beeinflussung der Relativdrehzahl der Räder überlagert. Über eine Regelung werden dann unterschiedliche aktive Charakteristiken eingestellt. Wenn pro Achseinheit deren Halbwellen über ein von einem Servomotor beaufschlagtes Getriebe gekoppelt sind steht unabhängig von der Absolutdrehzahl der Räder einer Achseinheit die Relativdrehzahl dieser Räder in einem festen Verhältnis zur Drehzahl des Servomotors, von dem über das Getriebe ein Relativmoment zur Beeinflussung der Relativdrehzahl der Räder eingeleitet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Spurführung von Achseinheiten eines Schienenfahrzeugs und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Als Achseinheit wird nachfolgend eine Baugruppe bezeichnet, die Zwei einander gegenüberliegende Schienenräder enthält, welche im Gegensatz zur starren Welle des herkömmlichen Radsatzes mechanisch oder elektrodynamisch derart gekoppelt sind, daß ein freier Eingriff in das von Rad zu Rad übertragene Drehmoment und somit eine Beeinflussung der Relativbewegung der Räder zueinander möglich ist.
Mit bisher gebräuchlichen starren Radsätzen bzw. mit Losrädern kann in die Fahrdynamik von Schienenfahrzeugen über die konstruktive Gestaltung von Rad- bzw. Radsatzaufhängung nur unbefriedigend eingegriffen werden. Eine Beeinflussung eines Fahrzeugslaufs, insbesondere hinsichtlich einer deutlichen Verschleißreduktion und einer entsprechenden Komfortverbesserung auch bei hohen Geschwindigkeiten kann nur durch einen direkten Eingriff in die Radsatzkinematik erfolgen.
In DE 95 0011 ist vorgeschlagen, die Achse zwischen den Rädern eines Radsatzes aufzuschneiden, und eine einstellbare Reibbremse als Verbindungselement dazwischen einzusetzen. Ferner ist auch das Einsetzen eines Torsionsdämpfers als Verbindungselement vorgeschlagen worden (siehe Benington C.K., The Railway Wheelset and Suspension Unit as a Closed Loop Guidance Control System, Journ. Of Mech. Eng. Science, Vol. 10, Nr. 2, 1968). Bei entsprechend ausgelegter Dämpfung konnte die Fahrstabilität im Geradeauslauf für ein Fahrzeug mit torsionsgedämpften Radsätzen erheblich gesteigert werden, wobei die eingestellte Dämpfung für jeweils einen bestimmten Geschwindigkeitsbereich optimal sein kann.
Dieses Konzept ist in DE 30 19 573 C2 dadurch weiter entwickelt, daß anstelle eines fest eingestellten Drehdämpfers eine elektrisch ansteuerbare Magnetpulverkupplung benutzt wird, um das Relativmoment zwischen den beiden Rädern eines Radsatzes zu beeinflussen.
Um eine Drehzahldifferenz zwischen den Rädern einer Achse vorzugeben, ist in DE 22 59 035 A1 ein Antrieb eines Radsatzes über ein Differentialgetriebe vorgeschlagen, wobei dem Getriebekäfig ein Elektromotor zugeordnet ist. In welcher Weise diese Drehzahldifferenz gewählt wird, ist nicht ausgeführt, ferner ist bei diesem Vorschlag der Motor direkt auf der Radsatzwelle mit dieser mitdrehend gelagert. Hierdurch wird wiederum die ungefederte Masse erhöht und es ergeben sich zusätzliche elektrisch und schwingungstechnische Probleme.
Aufgabe der Erfindung ist es, unter Vermeidung der Nachteile der vorstehend beschriebenen Lösungsansätze ein Verfahren zur Spurführung bzw. zur passiven, semi-aktiven oder aktiven Beeinflussung der Fahrdynamik von Fahrzeugen zu realisieren. Gemäß der Erfindung ist dies bei einem Verfahren zur Spurführung von Achseinheiten eines Schienenfahrzeugs nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch die Merkmale in dessen kennzeichnenden Teil erreicht. Die weiteren Ansprüche beziehen sich auf die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Gemäß der Erfindung wird bei einem Verfahren zur Spurführung eines Schienenfahrzeugs zwischen den beiden Rädern einer Achseinheit ein Relativmoment zur Beeinflussung der Relativdrehzahl eingeleitet, und über eine Regelung werden verschiedene aktive, semi-aktive oder passive Charakteristiken eingestellt. Somit zeichnet sich die erfindungsgemäße Lösung dadurch aus, daß ein zwischen den beiden Rädern einer Achseinheit wirkendes Relativmoment unabhängig von deren momentaner Relativbewegung mit Hilfe von außen zugeführter Energie beliebig beeinflußbar ist.
Wenn die Halbwellen mindestens einer Achseinheit die Wellen von zum Antrieb verwendeten Elektromotoren sind, wird gemäß einer ersten vorteilhaften Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens abhängig vom jeweiligen Antriebs- oder Bremsmoment durch entsprechende Ansteuerungen der Antriebsmotore ein Relativmoment zur Beeinflussung der Relativdrehzahl der Räder überlagert und es werden über eine Regelung unterschiedliche aktive Charakteristiken eingestellt.
Wenn pro Achseinheit deren Halbwellen über ein von einem Servomotor beaufschlagtes Getriebe gekoppelt sind, steht gemäß einer zweiten vorteilhaften Ausbildung unabhängig von der Absolutdrehzahl der Räder einer Achseinheit die Relativdrehzahl dieser Räder in einem festen Verhältnis zur Drehzahl des Servomotors, von welchem dann über das Getriebe ein Relativmoment zur Beeinflussung der Relativdrehzahl der Räder eingeleitet wird. Am Servomotor werden dann verschiedene passive Charakteristiken eingestellt oder es werden über eine Regelung verschiedene in Abhängigkeit von einer Gierbewegung des Fahrzeugs geregelte semi-aktive oder aktive Charakteristiken eingestellt.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann der Servomotor mit einem feststehenden Gehäuse außerhalb der Antriebseinheit und damit dann weitgehend getrennt von der Masse der Achseinheit und deren Schwingungen angeordnet sein.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Differentialgetrieben ist gemäß der Erfindung ein Überlagerungsgetriebe vorgesehen, durch welches eine beliebige Relativverdrehung der beiden Räder unabhängig von deren absoluter Drehzahl übertragen wird. Es muß somit nur das für das Eigenlenkverhalten der Achseinheit relevante Relativmoment mit dem Servomotor erzeugt werden. Daher kann das erfindungsgemäße Prinzip beispielsweise auch bei nicht angetriebenen Achseinheiten Anwendung finden.
Aufgrund der besonderen Gestaltung des Überlagerungsgetriebes wirkt sich eine eventuelle Relativbewegung der Schienenräder gegeneinander lediglich in einer Drehbewegung der Motorwelle aus, mit der beispielsweise ein Sonnenrad drehfest verbunden ist; alle anderen Komponenten eines über das Sonnenrad angetriebenen Planetengetriebes sind stets in immer gleichem Drehsinn im Umlauf.
Daher muß bei Auftreten einer Relativbewegung als mechanischer Widerstand nur der vernachlässigbare Reibwiderstand der Motorwelle selbst überwunden werden, so daß sich die Achseinheit ohne anliegendes Motormoment bzw. bei Ausfall der Elektronik nahezu wie ein Losradsatz verhält.
Beim Anliegen eines sehr kleinen, zur Steuerung des Laufs ausreichenden, gerichteten Motormoments wird dadurch einer eventuellen Relativbewegung der Räder in der einen Drehrichtung ein gewisser Widerstand entgegengesetzt, in der anderen Drehrichtung jedoch ein geringerer Widerstand, bzw. es wird die Relativbewegung unterstützt. Eine Relativbewegung ergibt sich stets nur als Folge einer unausgeglichenen Momentenbilanz der von den im Radaufstandspunkt angreifenden Reibkräften erzeugten Momente und dem jeweils anliegenden Motormoment.
Ferner hat unabhängig von einer eventuellen Antriebs- oder Bremsleistung oder der Reibleistung einer Achseinheit der Servomotor nur eine vergleichsweise geringe, zur Lenkung der Achseinheit erforderliche Leistung aufgrund der Momentendifferenz aufzubringen. Durch die Regelung von Relativmoment oder -drehzahl werden die Nachteile sowohl von herkömmlichen starren Radsätzen als auch von Losradsätzen vermieden.
Das beim starren Radsatz kritische Aufklingen der sinusförmigen Schlingerbewegung oberhalb einer bestimmten Geschwindigkeit kann gemäß der Erfindung vermieden werden, indem durch die Regelung einzelnen, beispielsweise mittels eines Kreiselsensors erfaßten Gierbewegungen unmittelbar gegengesteuert wird.
Hingegen ist im Gegensatz zum Losradsatz die Fähigkeit zur Zentrierung der Achseinheit im Gleis durch passive oder aktive Übertragung eines Relativdrehmomentes gegeben. Dieses Relativmoment wird lediglich durch elektromagnetische Kräfte bewirkt, so daß der nachteilige Verschleiß mechanischer Reibkupplungen oder auch von Magnetpulverkupplungen vermieden ist. Ferner können ohne eine mechanische Umschaltung während eines Fahrzeugslaufs verschiedene Wirkcharakteristiken universell angewendet werden.
Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Verfahren sind Gegenstand von unmittelbar oder mittelbar auf die Ansprüche 1 bis 4 rückbezogenen Ansprüchen.
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Spurführung von Achseinheiten eines Schienenfahrzeugs sind die nachstehend geschilderten verschiedenen Betriebsarten möglich.
  • a) Bei einer ersten möglichen Betriebsart ist der Servomotor mechanisch oder elektrisch - mit dem maximalen Haltemoment des Motors - blockiert, so daß die Drehzahldifferenz zwischen den beiden Rädern einer Achseinheit zwangsläufig null beträgt und die Achseinheit sich wie ein starrer Radsatz verhält. Abgesehen von einem Bruch der mechanischen Blockierung bzw. einem Überschreiten des maximalen Haltemoments ist somit eine Relativdrehung zwischen den beiden Rädern einer Achseinheit nicht möglich.
  • b) Bei einer zweiten möglichen Betriebsart ist der Servomotor mit einem unterhalb des maximalen Haltemoments beliebig einstellbaren Bremsmoment als Bremse geschaltet. Bei dieser passiven Betriebsart können sich die Räder infolge der durch den Längsschlupf im Radaufstandspunkt induzierten Reibkraft relativ zueinander verdrehen, wenn das Moment aus Reibkräften und aktuellem Radradius das eingestellte Moment im Stellmotor überschreitet.
    Diese Betriebsart gewährleistet auch oberhalb der Grenzgeschwindigkeit eines starren Radsatzes bereits einen stabilen Fahrzeuglauf im geraden Gleis. Durch elektromagnetische Einstellung der geeignetsten Bremscharakteristik, d.h. des Verlaufs des Bremsmomentes über der Relativdrehzahl, kann der Fahrzeuglauf weiterhin hinsichtlich des Störverhaltens verbessert werden.
  • c) Bei einer weiteren möglichen Betriebsart ist der Servomotor als Bremse geschaltet und das Bremsmoment wird über eine Regelung für die jeweilige Fahrzeuggeschwindigkeit bzw. aufgrund von außen einwirkenden Störungen eingestellt, um durch entsprechende Relativverdrehung der beiden Räder der Achseinheit einen optimalen und möglichst verschleißarmen Fahrzeuglauf zu erzielen. Bei dieser semiaktiven Betriebsweise können als Sensoren beispielsweise gyroskopische Aufnehmer eingesetzt werden, welche auf die Giergeschwindigkeit des Fahrzeugs ansprechen und eine Regelung veranlassen, diese möglichst klein zu halten.
  • d) Bei einer vierten möglichen Betriebsart wirkt der Servomotor mit einem von einer Regelung vorgegebenen, gerichteten Relativmoment auf die Räder der Achseinheit, unabhängig von Betrag und Drehsinn einer eventuellen Relativbewegung der Räder gegeneinander.
    Eine solche Relativbewegung wird in der einen Drehrichtung unterstützt, in der anderen wird ihr ein Widerstand entgegengesetzt. Damit wird das Fahrzeug innerhalb seines von der Spurweite des Gleises und dem Spurmaß der Achseinheit vorgegebenen Spurspiels beliebig lenkbar.
    Störungen des Fahrzeugsverlaufs werden durch Aufbringen eines entsprechend geregelten Relativmoments direkt ausgeregelt. Ferner kann die Achseinheit an beliebiger Stelle innerhalb des Spurspiels positioniert werden.
    Insbesondere beim Einlaufen vom geraden Gleis in einen Bogen kann damit ein hartes Anlaufen an den Spurkranz vermieden werden. Innerhalb des Bogens läßt sich durch eine geeignete Ansteuerung des Servomotors ein Lauf der Achseinheit nahe der idealen Rollinie, d.h. bei sehr niedrigem Längs- und Querschlupf und entsprechend geringem Verschleiß erzielen.
    • Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der anliegenden Zeichnungen im einzelnen beschrieben. Es zeigen:
    Fig.1
    eine Prinzipskizze hinsichtlich der Funktion eines einer Achseinheit zugeordneten Überlagerungsgetriebes;
    Fig.2
    einen Signalflußplan für eine semi-aktive Regelung der Fahrstabilität am Beispiel einer mechanischen Überlagerung, und
    Fig.3
    einen Signalflußplan für eine aktive Regelung des Fahrzeuglaufs am Beispiel einer elektro-dynamischen Überlagerung.
    Bei der in Fig.1 wiedergegebenen Prinzipskizze erfolgt eine Beeinflussung der Relativverdrehungen von zwei Rädern 1ℓ und 1r einer durch eine strichpunktierte Linie angedeuteten Achse eines nicht näher dargestellten Schienenfahrzeugs über einen Servomotor 2, der auch blockiert bzw. als Bremse betrieben werden kann.
    Der Servomotor 2 treibt mit einem auf seiner Abtriebswelle sitzenden Sonnenrad 3 über Planetenräder 4, von welchen in Fig.1 der Einfachheit halber nur zwei dargestellt sind, ein eine Innenverzahnung aufweisendes Hohlrad 5 an, welches durch schematisch angedeutete Verbindungselemente 11 mit einem Kegelrad 6 verbunden ist. In Fig.1 wird über ein weiteres Kegelrad 7 das linke Rad 1ℓ angetrieben, das drehfest mit einer Halbwelle 10ℓ verbunden ist.
    Die in dem Hohlrad 5 angeordneten Planetenräder 4 sind mittels eines Planetenradträgers 8 in einem vorgegebenen Abstand voneinander und zueinander gehalten. Mit dem Planetenradträger 8 ist eine, in der dargestellten Prinzipskizze mit der Abtriebwelle des Servomotors 2 fluchtende Welle 8' vorgesehen, mit der an dem dem Planetenradträger abgewandten Ende ein Kegelrad 9 drehfest verbunden ist. Das Kegelrad 9 steht in kämmendem Eingriff mit einem Kegelrad 12, das wiederum drehfest mit einer Halbwelle 10r des in der Skizze rechten Rades 1r verbunden ist. Somit ergibt sich bei einer Drehung des Planetenradträgers 3 eine Drehbewegung des rechten Rades 1r.
    In dem Sonderfall, daß der Servomotor 2 blockiert ist, ist die Drehzahl des Sonnenrades 3 Null und damit drehen sich die Räder 1r und 1ℓ gleich schnell, d.h., bei blockiertem Servomotor entspricht diese Betriebsart derjenigen eines starren Radsatzes.
    Eine beliebig vorgehbare Relativverdrehung der Räder 1r und 1ℓ ergibt sich somit aus der Drehzahl des Sonnenrads 3, welche wiederum gleich der Drehzahl des Servomotors 2 ist, und ferner aus dem Übersetzungsverhältnis des Planeten-Kegelradgetriebes.
    Mit der in Fig.1 wiedergegebenen Prinzipskizze sowie der vorstehenden kurzen Funktionsbeschreibung ist lediglich das erfindungsgemäße Überlagerungsprinzip nochmals veranschaulicht. Es wird jedoch ausdrücklich betont, daß die Anordnung von Getriebestufen und eines Servomotors für die Anwendung des Prinzips nur eine der möglichen Lösungen und der vielfältigen Eingriffsmöglichkeiten in die Achseinheit-Kinematik darstellt.
    In Fig.2 ist ein Signalflußplan für eine semi-aktive Regelung der Fahrstabilität am Beispiel einer mechanischen Überlagerung wiedergegeben. Zwischen den Rädern 1ℓ und 1r einer Achseinheit ist als Begrenzer für ein zu übertragendes Relativmoment beispielsweise ein Überlagerungsgetriebe 20 vorgesehen, das im Aufbau beispielsweise dem anhand von Fig.1 beschriebenen Getriebe entsprechen kann.
    Dem Überlagerungsgetriebe 20 ist ein beispielsweise dem Servomotor 2 in Fig.1 entsprechender Motor 22 zugeordnet. Beispielsweise an dem Rad 1ℓ werden mittels eines geeigneten in Fig.2 nicht näher dargestellten Sensors eine Seitenauslenkung y des Rades 1ℓ sowie mit ebenfalls nicht näher dargestellten Sensoren sowohl der Gierwinkel ψ als auch die Gier- bzw.
    Winkelgeschwindigkeit ψ ˙ abgenommen.
    Diese Meßwerte werden zusammen mit der am Motor 22 abgenommenen relativen Drehzahldifferenz nrel an eine Einheit 40 angelegt, in welcher die Amplitude einer Schlingerbewegung gebildet wird. Die gemessene Seitenauslenkung y und die am Motor 22 abgenommene relative Drehzahldifferenz nrel werden an eine Einheit 30 angelegt, in welcher der Betrag der mittleren Seitenabweichung eines mit der dargestellten Achseinheit ausgestatteten Fahrzeugs gebildet wird.
    Die Ausgangswerte der beiden Einheiten 30 und 40 werden über ein Summierglied 60 an einen Regler 50 angelegt. Am Ausgang des Reglers 50 liegt der Betrag des maximalen, übertragbaren Relativmoments |Mrel|max an, welches an den dem Überlagerungsgetriebe 20 zugeordneten Motor 22 angelegt wird.
    Fig.3 zeigt einen Signalflußplan für eine aktive Regelung eines Fahrzeuglaufs am Beispiel einer elektro-dynamischen Überlagerung. In Fig.3 sind die Räder 1'ℓ und 1'r drehfest mit nicht näher bezeichneten Wellen eines Antriebsmotors 70ℓ bzw. 70r verbunden. Die Drehzahlen nℓ und nr der beiden Antriebsmotore 70ℓ bzw. 70r werden über ein Summierglied 61 zusammen mit den beispielsweise vom Rad 1'ℓ abgenommenen Größen, nämlich der Seitenauslenkung y, dem Gierwinkel ψ und der Gier- bzw. Winkelgeschwindigkeit ψ ˙ an eine Regeleinheit 80 angelegt, in welcher das Relativmoment Mrel gebildet wird.
    Das am Ausgang der Regeleinheit 80 anliegende Relativmoment Mrel/2 wird an einen Eingang von Summiergliedern 62 bzw. 63 angelegt. An den anderen Eingang der Summierglieder 62 und 63 wird ein in einem weiteren Regler 81 gebildetes Gesamt-Antriebsmoment Mtract angelegt. Die Ausgangsgrößen Mℓ und Mr der Summierglieder 62 und 63 werden an den Antriebsmotoren 70ℓ und 70r jeweils zugeordnete Steuerungseinheiten 90 bzw. 90' angelegt, die beispielsweise als Wechselrichter ausgeführt sein können. Mit den Ausgangsströmen Iℓ und Ir der beiden Steuerungseinheiten 90 und 90' erfolgt eine entsprechende elektro-dynamische Überlagerung in den beiden oder in einem der beiden Antriebsmotoren 70ℓ und 70r der Räder 1'ℓ bzw. 1'r.
    Nachstehend werden verschiedene Regelungsmöglichkeiten zur Stabilisierung eines Fahrzeugslaufs angegeben.
    Eine zwischen den beiden Rädern einer Achseinheit, beispielsweise den Rädern 1ℓ und 1r übertragendes Relativmoment wird auf einen ganz bestimmten, von der Regelung vorgegebenen Wert beschränkt. Damit läßt sich die Charakteristik dieser Übertragung eines Relativmoments mit derjenigen einer idealisierten Reibkupplung gemäß dem Coulomb'schen Reibgesetz vergleichen. Hierbei sind innerhalb der Achseinheit Relativverdrehungen beispielsweise zum Vermeiden eines Schlingerlaufs möglich.
    Als Rückführgrößen für eine semi-aktive Regelung können hierbei verschiedene Größen bzw. Werte herangezogen werden, und zwar
  • eine beispielsweise mittels Gyrosensoren gemessene Giergeschwindigkeit;
  • eine relative Seitenabweichung einer Achseinheit bzw. des gesamten Fahrzeugs zur Gleismitte, wobei eine derartige Seitenabweichung beispielsweise mittels Wegsensoren erfaßbar ist;
  • eine Relativwinkelgeschwindigkeit innerhalb einer Achseinheit, welche beispielsweise mit Hilfe von Winkelsensoren am Servomotor bzw. an Antriebsmotoren gemessen wird, oder
  • ein Gierwinkel des Fahrzeugs oder ein Wendewinkel einer Achseinheit, wobei der jeweilige Winkel beispielsweise mit Wegsensoren gemessen wird.
    • Diese verschiedenen Größen können sowohl einzeln als auch in einer sinnvollen Kombination verwendet werden. Hierbei wirkt sich ein starker Schlingerlauf im Sinne einer Absenkung des übertragbaren relativen Drehmoments aus, während eine hohe Seitenabweichung bzw. eine hohe relative Winkelgeschwindigkeit zu einer Anhebung des Relativmoments führt.
    Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können auch kurzzeitig auftretende Störungen ausgeregelt werden. Hierbei kann einer derartigen Störung durch ein gezieltes, aktives Aufbringen eines Relativmomentes zwischen den beiden Rädern einer Achseinheit, beispielsweise den Rädern 1ℓ und 1r in der Prinzipskizze, gegengelenkt werden. Hierbei können wiederum zur Rückführung in die Regelung die vorstehend angeführten verschiedenen Sensoren eingesetzt werden.
    Unter kurzzeitig auftretenden Störungen wird auch ein Bogeneinlauf verstanden. Durch Aufbringen eines richtig gerichteten Relativmoments wird durch ein aktives Einlenken einer Achseinheit in einen Bogen ein hartes Anlaufen am Spurkranz vermieden. Hierbei kann durch einen sogenannten Preview-Sensor, welche vorausschauend eine Abweichung des Gleises vom geraden Kurses registriert, ein sanftes Einlenken in den Bogen erreicht werden.
    Um hierbei einen optimalen Bogenlauf zu erreichen, ist das Relativmoment innerhalb einer Achseinheit so zu bemessen, daß die Summe aus Quer- und Längsschlupf bzw. eine kombinierte Größe aus beiden Schlupfwerten im Sinne einer Normgröße minimal gehalten wird. Hierbei wird der Querschlupf in erster Linie durch den Wendewinkel (Gierwinkel) der Achseinheit beeinflußt, welcher beispielsweise über Wegsensoren ermittelt werden kann. Der Längsschlupf läßt sich über die Drehzahlen der Räder einer Achseinheit, beispielsweise der Räder 1ℓ und 1r in der Prinzipskizze, sowie aus der Fahrgeschwindigkeit bestimmen.
    Durch eine Minimierung des Schlupfes im Sinne der vorstehend angeführten Normgröße folgt eine Achseinheit nahezu der idealen Rollinie im Bogen. Hierbei können das vorstehend geschilderte Regelungskonzept mit dem zum Ausregeln von kurzzeitig auftretenden Störungen beschriebenen Konzept kombiniert werden oder auch in einem einzigen Regelungskonzept zusammengefaßt werden.
    Festzuhalten ist insbesondere auch, daß die vorstehend skizzierten Regelungskonzepte sowohl für angetriebene als auch für nicht angetriebene Achseinheiten anwendbar sind. Bei angetriebenen Fahrzeugen mit Einzelradantrieb werden die beiden Motoren einer Achseinheit so angesteuert, daß sich das Antriebsmoment und der Relativmoment überlagern. Bei nicht angetriebenen Achseinheiten wird das Relativmoment mittels eines Überlagerungsgetriebes mechanisch in eine Achseinheit eingeleitet.

    Claims (13)

    1. Verfahren zur Spurführung von Achseinheiten eines Schienenfahrzeugs, dessen Räder je Achseinheit drehfest mit jeweils einer Halbwelle verbunden sind, dadurch gekennzeichnet,
      daß zwischen den beiden Rädern jeder Achseinheit ein Relativmoment zur Beeinflussung der Relativdrehzahl eingeleitet wird und
      über eine Regelung verschiedene aktive, semi-aktive oder passive Charakteristiken eingestellt werden.
    2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, wobei die Halbwellen mindestens einer Achseinheit die Wellen von zum Antrieb verwendeten Elektromotoren sind, dadurch gekennzeichnet, daß
      unabhängig vom jeweiligen Antriebs- oder Bremsmoment durch entsprechende Ansteuerung der Antriebsmotore (70ℓ bzw. 70r) ein Relativmoment zur Beeinflussung der Relativdrehzahl der Räder (1'ℓ bzw. 1'r) überlagert wird und
      über eine Regelung unterschiedliche aktive Charakteristiken eingestellt werden.
    3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, wobei die Halbwellen pro Achseinheit über ein von einem Servomotor beaufschlagtes Getriebe gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, daß
      unabhängig von der Absolutdrehzahl der Räder (1ℓ bzw. 1r) einer Achseinheit die Relativdrehzahl dieser Räder (1ℓbzw. 1r) in einem festen Verhältnis zur Drehzahl des Servomotors (2) steht und
      von dem Servomotor (2) über das Getriebe (Teile 3 bis 9, 11 und 12) ein Relativmoment zur Beeinflussung der Relativdrehzahl der Räder eingeleitet wird und am Servomotor (2) verschiedene passive Charakteristiken eingestellt werden.
    4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, wobei die Halbwellen pro Achseinheit über ein von einem Servomotor beaufschlagtes Getriebe gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, daß
      unabhängig von der Absolutdrehzahl der Räder (1ℓ bzw. 1r) einer Achseinheit die Relativdrehzahl dieser Räder (1ℓ bzw. 1r) in einem festen Verhältnis zur Drehzahl des Servomotors (2) steht und
      von dem Servomotor (2) über das Getriebe (Teile 3 bis 9, 11 und 12) ein Relativmoment zur Beeinflussung der Relativdrehzahl der Räder (1ℓ bzw. 1r) eingeleitet wird und
      über eine Regelung verschiedene in Abhängigkeit von einer Gierbewegung des Fahrzeugs geregelte semi-aktive oder aktive Charakteristiken eingestellt werden.
    5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Servomotor (2) mit einem feststehenden Gehäuse außerhalb der Antriebseinheit angeordnet ist.
    6. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß für eine semi-aktive oder aktive Regelung von sowohl angetriebenen als auch nicht angetriebenen Fahrzeugwellen eine mittels entsprechenden Sensoren gemessene Giergeschwindigkeit als Eingangsgröße zur Regelung herangezogen wird.
    7. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß für eine semi-aktive oder aktive Regelung von sowohl angetriebenen als auch nicht angetriebenen Fahrzeugwellen eine mittels entsprechenden Sensoren gemessene, relative Seitenabweichung eines Radsatzes oder eines Fahrzeuges zur Gleismitte als Eingangsgröße zur Regelung herangezogen wird.
    8. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß für eine semi-aktive oder aktive Regelung von sowohl angetriebenen als auch nicht angetriebenen Fahrzeugwellen eine mittels entsprechenden Sensoren am Servomotor oder an Antriebsmotoren gemessene relative Winkelgeschwindigkeit innerhalb einer Achseinheit als Eingangsgröße zur Regelung herangezogen wird.
    9. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß für eine semi-aktive oder aktive Regelung von sowohl angetriebenen als auch nicht angetriebenen Fahrzeugwellen ein mittels entsprechenden Sensoren gemessener Gierwinkel eines Fahrzeugs oder ein Wendewinkel des jeweiligen Radsatzes als Eingangsgröße zur Regelung herangezogen wird.
    10. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß zum Ausregeln einer Störung eines Fahrzeugseitenlaufs ein Relativmoment zwischen den beiden Rädern eines Radsatzes durch eine aktive Regelung gezielt aufgebracht wird.
    11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Fahrzeug durch aktives Einbringen eines Relativmoments im Spurkanal so positioniert wird, daß ein Anlaufen der Spurkränze am Schienenprofil vermieden wird.
    12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer mittels eines vorausschauenden Preview-Sensors festgestellten Abweichung eines Gleises vom geraden Kurs ein durch aktives Regeln eingeleitetes Einlenken eines Radsatzes in einen Bogen durch Aufbringen eines entsprechend gerichteten Relativmoments bewirkt wird.
    13. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erreichen eines optimalen Bogenlaufs das Relativmoment innerhalb eines Radsatzes so geregelt wird, daß eine Größe, kombiniert aus Längs- und Querschlupf, minimal gehalten wird.
    EP99102259A 1998-02-10 1999-02-05 Verfahren zur Spurführung von Achseinheiten eines Schienenfahrzeugs und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens Withdrawn EP0936125A3 (de)

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