EP1003661A1 - Verfahren zur kurvenerkennung und achsausrichtung bei schienenfahrzeugen - Google Patents

Verfahren zur kurvenerkennung und achsausrichtung bei schienenfahrzeugen

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EP1003661A1
EP1003661A1 EP99925009A EP99925009A EP1003661A1 EP 1003661 A1 EP1003661 A1 EP 1003661A1 EP 99925009 A EP99925009 A EP 99925009A EP 99925009 A EP99925009 A EP 99925009A EP 1003661 A1 EP1003661 A1 EP 1003661A1
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EP
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track
curvature
chassis
steering angle
calculated
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Markus Koch
Frank Hentschel
Günther Himmelstein
Rolf Krouzilek
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Alstom Transportation Germany GmbH
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DaimlerChrysler AG
Bombardier Transportation GmbH
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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
    • 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 measuring a track curvature in a running gear for rail vehicles, and a method for steering alignment of an axis of a rail running gear rotatably fastened to a running gear frame after the curvature of the track.
  • Rail vehicles with two-axle chassis are mainly used in local transport. Tight bends, which are often determined by the course of the road, lead to poor cornering of multi-axle chassis. This can be observed primarily in rail vehicles whose wheels are rigidly connected to the chassis frame with regard to their yawing movement.
  • axle or the wheels are mounted in a steerable manner in the chassis frame.
  • a steering movement can take place in accordance with the curvature of the track.
  • a method for curve detection is known from DE 92 1 9 042 U1, which determines the curvature of the track by means of inductive sensors.
  • methods are known in which the steering of the wheels or axles takes place passively. This can be done either by the guidance forces or by mechanically coupling the axle position with the angle of rotation between the car bodies.
  • these mechanical solutions have the disadvantage that they only allow very imprecise steering.
  • the object of the present invention is to provide a method for measuring the curvature of the track for rail vehicles in order to use this value to calculate the target value for the steering angle control.
  • Figure 1 shows the ratio of the translation and yaw rate depending on the curvature of the rail.
  • Figures 1 and 2 show a chassis 10 for a rail vehicle, not shown, with axles 1 2 and 1 3, to which wheels 1 6 are attached.
  • the axes 1 2 and 13 are fixed in the chassis 10.
  • the chassis 10 or the axles 12 and 13 are rotatably supported by a centrally arranged joint 15.
  • the undercarriage 10 is shown as it travels through a curved track 11 with a translation speed v and has a radius R.
  • the radius R or the curvature of the track le can be calculated with the aid of means which determine the yaw rate ⁇ .
  • the track curvature ⁇ corresponds to the reciprocal of the radius R.
  • the division of the yaw rate ⁇ by the translation speed v results in the track curvature ⁇ , in accordance with the equation shown in FIG.
  • the value of the track curvature hier obtained from this is used to steer the axes 1 2 or 13.
  • the relationship between the real and calculated track curvature ⁇ can be seen in FIG. 3.
  • the yaw rate ⁇ is preferably determined by a rotation rate or gyro sensor, not shown, as is known, for example, from navigation technology.
  • the position of the axle in the track channel can shift laterally by a few millimeters. Power surges, which act on the running gear 10 because of the often inaccurate track guidance, can lead to the yaw movement. However, these oscillating movements have a not insignificant influence on the measured values of the gyro sensor.
  • the measured value of the yaw rate ⁇ is smoothed by means of a low-pass filter (not shown). The effect of the low-pass filter when driving through a track curve can be seen in FIG. 5.
  • the track curvature ⁇ is used to determine the desired steering angle ⁇ soii according to which the axes 1 2 and 13 are corrected.
  • the setting of axes 1 2 and 1 3 can e.g. done by a servo motor.
  • the sine of the desired steering angle ⁇ soii of the control system (not shown) is calculated by multiplying the curvature of the track ⁇ by half the distance b between the axes 1 2 and 13, according to the equation in FIG. 2.
  • the first approximation states that for an exact setpoint calculation when entering a curve, both the
  • Curvature course on the front axle 1 2 as well as on the rear axle 13 should be known, but only one value in between is measured due to the chassis rotation, as shown in FIG. 3.
  • there is an approximation in the steering angle calculation while entering the curve since the geometric relationship according to FIG. 2 is only exactly correct if both axes 1 2 and 1 3 are in the curve.
  • the two approximations essentially cancel each other out, so that the calculated one Setpoint value ⁇ soii, as shown in FIG. 4, corresponds very well with the ideal steering angle ⁇ . If a rail vehicle has a plurality of running gears 10, then only the target steering angle ⁇ soii i for the foremost running gear in the direction of travel has to be determined.
  • the other trolleys can take over this target steering angle at different times.
  • the target steering angle ⁇ soii 1 + 1 for the undercarriages following in the direction of travel are calculated by time delays ⁇ t from the first target steering angle ⁇ soii i.
  • the delay ⁇ t results from dividing the distance ai of the trailing chassis i from the first chassis by the translation speed v.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Steering Control In Accordance With Driving Conditions (AREA)
  • Length Measuring Devices With Unspecified Measuring Means (AREA)
  • Train Traffic Observation, Control, And Security (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung einer Gleiskrümmung bei einem Fahrwerk für Schienenfahrzeuge, und ein Verfahren zur lenkenden Ausrichtung einer drehbar an einem Fahrwerksrahmen befestigten Achse eines Schienenfahrwerkes nach der Gleiskrümmung, wobei die Gleiskrümmung aus der Division einer Giergeschwindigkeit durch eine Translationsgeschwindigkeit berechnet wird und die Räder nach einem Soll-Lenkwinkel (ηsoll) ausgerichtet werden, der durch Multiplikation der Gleiskrümmung (χ) mit dem halben Abstand (b) zwischen den beiden Achsen (12, 13) des Fahrwerkes (10) berechnet wird.

Description

Verfahren zur Kurvenerkennung und Achsausrichtung bei Schienenfahrzeugen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung einer Gleiskrümmung bei einem Fahrwerk für Schienenfahrzeuge, und ein Verfahren zur lenkenden Ausrichtung einer drehbar an einem Fahrwerkrahmen befestigten Achse eines Schienenfahrwerkes nach der Gleiskrümmung.
Insbesondere im Nahverkehr kommen überwiegend Schienenfahrzeuge mit zweiachsigen Fahrwerken zum Einsatz. Dabei führen enge Kurven, die oftmals durch den Straßenverlauf vorgegeben sind, zu einer schlechten Kurvengängigkeit von mehrachsigen Fahrwerken. Dies ist vornehmlich bei Schienenfahrzeugen zu beobachten, deren Räder hinsichtlich ihrer Gierbewegung starr mit dem Fahrwerksrahmen verbunden sind.
Eine Lösung dieses Problems wird dadurch erzielt, daß die Achse bzw. die Räder lenkbar im Fahrwerksrahmen gelagert sind. Durch eine Vorrichtung zum Ausrichten der Achse bzw. der Räder kann eine Lenkbewegung entsprechend der Gleiskrümmung erfolgen.
Aus der DE 195 38 379 Cl ist ein zweirädriges Fahrwerk mit Einzelradantrieb für spurgeführte Fahrzeuge mit gesteuerter Lenkung bekannt, bei dem das Fahrwerk pro Radträger zwei jeweils außerhalb der Radaufstandspunkte befindliche vertikale
Schwenkachsen aufweist, wobei abwechselnd - unter Arretierung der Position der aktuell bogenäußeren Schwenkachse - der Radträger um genau diese arretierte Achse geschwenkt wird.
Aus der DE 92 1 9 042 U1 ist ein Verfahren zur Kurvenerkennung bekannt, das die Gleiskrümmung durch Indukivtaster bestimmt. Weiterhin sind Verfahren bekannt, bei denen die Lenkung der Räder bzw. Achsen passiv erfolgt. Dies kann entweder durch die Spurführungskräfte oder durch eine mechanische Kopplung der Achsstellung mit dem Verdrehwinkel zwischen den Wagenkästen erfolgen. Diese mechanischen Lösungen haben jedoch den Nachteil, daß sie nur eine sehr ungenaue Lenkung ermöglichen.
Eine genaue Ausrichtung ist hingegen nur möglich, wenn die Achse aktiv, z.B. mit einem Servoantrieb, eingestellt wird. Die Regelung des Lenkwinkels, der dem Relativwinkel zwischen Rad bzw. Achse und Fahrwerkrahmen entspricht, erfordert die Vorgabe eines Lenkwinkelsollwertes. Zur Bestimmung des Lenkwinkelsollwertes bedarf es wiederum der Kenntnis der Gleiskrümmung.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Messung der Gleiskrümmung für Schienenfahrzeuge zu schaffen, um mit Hilfe dieses Wertes den Sollwert für die Lenkwinkelregelung zu berechnen.
Gelöst wird die Aufgabe durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 4, u.a. dadurch, daß die Gleiskrümmung aus der Division einer Giergeschwindigkeit durch eine Translationsgeschwindigkeit berechnet wird und die Räder nach einem Soll-Lenkwinkel ausgerichtet werden, der durch Multiplikation der Gleiskrümmung mit dem halben Abstand zwischen den beiden Achsen des Fahrwerks berechnet wird.
Weitere vorteilhafte Maßnahmen sind in den Unteransprüchen beschrieben. Die Erfindung ist in der beiliegenden Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend näher beschreiben; es zeigt:
Fig. 1 das Verhältnis der Translations- und der Giergeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Krümmung der Schiene;
Fig. 2 die Abhängigkeit der idealen Winkelstellung der Achse von der Kurvenkrümmung;
Fig. 3 den Krümmungsverlauf an der Hinterachse im Vergleich zu der Näherung durch das Meßverfahren beim Durchfahren einer Gleiskrümmung;
Fig. 4 den idealen Lenkwinkelverlauf (γ ideal ) im Vergleich mit dem berechneten Soll- Lenkwinkel (γ soii);
Fig. 5 den idealen Lenkwinkelverlauf (γ ideal) im Vergleich mit dem berechneten Soll- Lenkwinkel (γ soii) nach der Filterung der Giergeschwindigkeit (Ω);
Die Figuren 1 und 2 zeigen ein Fahrwerk 10 für ein nicht näher dargestellten Schienenfahrzeug, mit Achsen 1 2 und 1 3, an denen Räder 1 6 befestigt sind. Die Achse 1 2 und 13 sind in dem Fahrwerk 10 befestigt. Das Fahrwerk 10 bzw. die Achsen 12 und 13 sind durch ein zentrisch angeordnetes Gelenk 1 5 drehbar gelagert.
Das Fahrwerk 1 0 ist dargestellt, während es mit einer Translationsgeschwindigkeit v einen Gleisbogen 1 1 durchfährt, der einen Radius R aufweist. Mit Hilfe von Mitteln, die die Giergeschwindigkeit Ω bestimmen, kann der Radius R bzw. die Gleiskrümmung χ berechnet werden. Die Gleiskrümmung χ entspricht hierbei dem Kehrwert des Radius R. Die Division der Giergeschwindigkeit Ω durch die Translationsgeschwindigkeit v ergibt die Gleiskrümmung χ, entsprechend der in Figur 1 dargestellten Gleichung. Der hieraus gewonnene Wert der Gleiskrümmung χ wird zur Lenkung der Achsen 1 2 bzw. 13 genutzt. Das Verhältnis zwischen der realen und berechneten Gleiskrümmung χ kann der Figur 3 entnommen werden. Die Giergeschwindigkeit Ω wird vorzugsweise durch einen nicht näher dargestellten Drehraten- oder Kreiselsensor bestimmt, wie er beispielsweise aus der Navigationstechnik bekannt ist.
Da der Abstand zwischen den Spurkränzen der Räder 1 6 einer Achse 1 2 bzw. 1 3 etwas kleiner ist als der Abstand zwischen den Schienen 1 7, kann sich die Lage der Achse im Spurkanal lateral um einige Millimeter verschieben. Somit können Kraftstöße, die wegen der oft nicht exakten Gleisführung auf das Fahrwerk 10 wirken, zur Gierbewegung führen. Diese pendelnden Bewegungen haben jedoch auf die Meßwerte des Kreiselsensors einen nicht unwesentlichen Einfluß. Zur Eliminierung der Wirkung der pendelnden Gierbewegung des Fahrwerks im Gleis wird der Meßwert der Giergeschwindigkeit Ω mittels eines - nicht dargestellten - Tiefpaßfilters geglättet. Die Wirkung des Tiefpaßfilters beim Durchfahren eines Gleisbogens ist Figur 5 zu entnehmen.
Mit Hilfe der so berechneten Gleiskrümmung χ erfolgt die Ausrichtung der Achsen 1 2 und 13. Dabei dient die Gleiskrümmung χ zur Ermittlung des Soll-Lenkwinkels γ soii nach dem die Achsen 1 2 und 13 ausgeregelt werden. Die Einstellung der Achsen 1 2 und 1 3 kann z.B. durch einen Servomotor erfolgen.
Der Sinus des Soll-Lenkwinkels γ soii des - nicht dargestellten - Reglersystems berechnet sich durch Multiplikation der Gleiskrümmung χ mit dem halben Abstand b zwischen den Achsen 1 2 und 13, entsprechend der Gleichung in Figur 2.
So ergeben sich während des Kurveneinlaufs zwei Näherungen. Die erste Näherung besagt, daß für eine exakte Sollwertberechnung beim Kurveneinlauf sowohl der
Krümmungsverlauf an der Vorderachse 1 2 als auch an der Hinterachse 13 bekannt sein müßte, jedoch wird aufgrund der Fahrwerksdrehung nur ein Wert dazwischen gemessen, wie Figur 3 zeigt. Außerdem erfolgt eine Näherung bei der Lenkwinkelberechnung während des Kurveneinlaufs, da die geometrische Beziehung nach Figur 2 nur exakt richtig ist, wenn sich beide Achsen 1 2 und 1 3 in der Kurve befinden, Die beiden Näherungen heben sich im wesentlichen auf, so daß der berechnete Soll-Wert γ soii , wie Figur 4 zeigt, sehr gut mit dem idealen Lenkwinkel γ ideal übereinstimmt. Weist ein Schienenfahrzeug mehrere Fahrwerke 10 auf, so muß nur der Soll-Lenkwinkel γ soii i für das in Fahrtrichtung vorderste Fahrwerk ermittelt werden. Die weiteren Fahrwerke können diesen Soll-Lenkwinkel zeitlich versetzt übernehmen. Die Soll-Lenkwinkel γ soii 1 + 1 für die in Fahrtrichtung nachfolgenden Fahrwerke werden durch zeitliche Verzögerungen Δt aus dem ersten Soll-Lenkwinkel γ soii i berechnet. Die Verzögerung Δt ergibt sich aus der Division des Abstandes ai des nachlaufenden Fahrwerkes i zum ersten Fahrwerk durch die Translationsgeschwindigkeit v.
Bezug szeichen
10 Schienenfahrzeug-Fahrwerk
1 1 Gleiskrümmung
1 2 Achse, vorne
1 3 Achse, hinten
1 5 Gelenk
1 6 Rad
1 7 Schiene
1 Gleiskrümmung
Ω Giergeschwindigkeit v Translationsgeschwindigkeit
R Krümmungsradius γ soii Soll-Lenkwinkel γ ideal Ideal-Lenkwinkel b Abstand zwischen den Achsen
Δt zeitliche Verzögerung aι Abstand zwischen dem 1. und dem i-ten Fahrwerk

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zur Messung einer Gleiskrümmung bei einem Fahrwerk für Schienenfahrzeuge, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleiskrümmung (χ) aus der Division der Giergeschwindigkeit (Ω) des Fahrwerks durch die Translationsgeschwindigkeit (v) berechnet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß zur Eliminierung des Einflusses der pendelnden Gierbewegung des Fahrwerks im Spurkanal der Meßwert der Giergeschwindigkeit (Ω) mittels eines Tiefpaßfilters geglättet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Giergeschwindigkeit (Ω) durch einen Drehraten- bzw. Kreiselsensor bestimmt wird.
4. Verfahren zur lenkenden Ausrichtung von drehbar auf einem Fahrwerk befestigten Rädern eines Schienenfahrzeuges in einer Gleiskrümmung, dadurch gekennzeichnet, daß die Räder nach einem Soll-Lenkwinkel (γ soii) ausgerichtet werden, der durch Multiplikation der Gleiskrümmung (χ) mit dem Halben Abstand (b) zwischen beiden Achsen des Fahrwerks berechnet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleiskrümmung (χ) durch das Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3 ermittelt wird.
6. Verfahren nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Lenkung mehrerer Fahrwerke eines Schienenfahrzeugs nur die Gleiskrümmung (χ) und der Soll- Lenkwinkel (γ soii i) für das ersten Fahrwerk bestimmt wird, während die Soll-Lenkwinkel (γ soii 1 + ι) für die in Fahrtrichtung nachfolgenden Fahrwerke durch zeitliche Verzögerung (Δt) aus dem ersten Soll-Lenkwinkel (γ soii i) berechnet werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Verzögerung aus Δt = ai/v ergibt, wobei aι der Abstand des nachlaufenden Fahrwerks i zum ersten Fahrwerk und v die Translationsgeschwindigkeit ist.
EP99925009A 1998-06-13 1999-05-19 Verfahren zur kurvenerkennung und achsausrichtung bei schienenfahrzeugen Expired - Lifetime EP1003661B2 (de)

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