DE4137869C1 - - Google Patents
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- B61—RAILWAYS
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine
Einrichtung zur Dämpfung von Schwingungen
bei Schienenfahrzeugen
gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
Es ist eine Einrichtung zur Dämpfung von Schlingerbewegungen von
Fahrzeugen bekannt (DE 25 50 235 A1), die aus zwei Dämpfern besteht.
Deren entgegengesetzte Kammern sind kreuzweise miteinander verbunden,
während eine dritte Verbindung die Vorratsräume beider Dämpfer
verbindet. Der Kolben in einem Dämpfer ist mit einer Kolbenstange
verbunden, die aus einem Kopfstück herausragt und dort mit einer
Befestigungseinrichtung zur Anbringung an ein Fahrzeug versehen ist, die
gegenüber liegt und von dem unteren Kopfstück getragen wird.
Die bekannte Lösung strebt das Ziel an, auf dem Gebiet der Eisenbahn in
Verbindung mit immer höheren Fahrzeuggeschwindigkeiten auftretenden
Schlingerbewegungen entgegenzutreten. Ein in Betracht gezogener Einsatz
vorhergehender Dämpfer, die so ausgelegt sind, daß sie die
Schwingungsweite der Schlingerbewegung dämpfen, würde nach der
geäußerten Meinung zu einer übermäßigen Erhöhung der Härte der
Fahrzeugfederung führen. Damit würde ein negativer Einfluß auf die Stoß-
und Rüttelbewegungen des Fahrzeugs ausgeübt.
Eine andere bekannte Lösung versucht, durch eine spezielle Zusammenschaltung der
beiden Dämpfer eine Einrichtung zu schaffen, bei der die
Schlingerbewegungen des Fahrzeugs kräftig abgedämpft werden
(VDI-Nachrichten Nr. 43 vom 25. 10. 91, Seite 54, rechte Spalte, 4. Absatz),
ohne daß die Stoß- und Rüttelbewegungen stark zunehmen. Eine solche
passive Dämpfung wird jedoch den heutigen Anforderungen nicht mehr
gerecht.
Mit der Erfindung soll folgendes Problem gelöst werden:
Ausgehend von immer höheren Geschwindigkeiten, die durch immer schwerere
Lokomotiven mit größeren Zugkräften erzeugt werden, entstehen
entsprechend höhere Kräfte, die über die Schiene auf das Schienenbett
übertragen werden, wodurch dieses immer stärkeren Erschütterungen
ausgesetzt wird. Bei den entstehenden unterschiedlichen Frequenzen
zwischen Fahrzeug und Schiene sind daher passive Systeme nicht mehr
geeignet, die bestehenden Probleme zu lösen. Es gilt daher, in dem
System Rad/Schiene bei niederen Frequenzen die Federsteifigkeit
des Dämpfungssystems zu steigern und bei hohen Frequenzen die
Federsteifigkeit zu senken, d. h. die jeweils günstigste Dämpfung
einzustellen. Gleichzeitig soll das System die passive
Querkraftregelung verlassen und durch ein System der aktiven
Querkraftregelung ersetzt werden.
Die Lösung des Problems wird
mit den kennzeichnenden Merkmalen
des Patentanspruchs 1 möglich.
Vorteilhafte Weiterbildungen des
Erfindungsgegenstandes sind den
Unteransprüchen zu entnehmen.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
daß die Regelfunktion mit großer Sicherheit der Abstützfunktion
angeglichen werden kann, wobei ein minimaler Energieverbrauch
erforderlich ist.
Weitere Vorteile sind kurzzeitiges Wirksamwerden der Regelmaßnahmen
sowie Verringerung der Kräfte, die auf Rad und Schiene bzw. das
Schienenbett einwirken. Nach einer weiteren Maßnahme wird vorgeschlagen, daß
die dynamische Fahrsteifigkeit frequenzabhängig in der Art beeinflußt
wird, daß bei hohen Frequenzen ein relativ weiches System entsteht.
Hierbei wird auf Strecken mit hohen Frequenzen die Dämpfung entsprechend
weich eingeregelt, so daß die Schwingungsdämpfung immer unterhalb der
Passivkräfte bleibt.
Eine andere Weiterbildung besteht darin, daß der Druck in dem Zylinder auf
einen anhand eines Wegsignals berechneten Soll-Wert geregelt wird und daß
bei Auftreten von Schwingungen über den Zylinder oder über den Kolben
Energie in einen Speicher zurückgespeist wird. Dadurch wird erheblich an
Energie gespart, und die Druckmedienquelle braucht nicht verstärkt zu
werden.
Ferner wird vorgeschlagen, daß über eine programmgesteuerte Einrichtung
eine Entscheidung herbeigeführt wird, über welche der durch Ventile
gebildeten Schaltungsverzweigung die Ausregelung des Ist-Druckes erfolgt.
Vorteilhafterweise kann hierdurch eine energie- und strömungstechnisch
günstige Druckmediumpräsenz im Zylinder erreicht werden.
Andere Maßnahmen verbessern diese Druckmedienpräsenz noch dadurch, daß
durch eine Prioritätsschaltung in Abhängigkeit von den Zylinderdrücken,
der Speicherdrücke und der geforderten Kraft eine energetische
Optimierung des Systems errechnet wird.
Eine andere Verbesserung besteht darin, daß über die programmgesteuerte
Einrichtung eine Erhöhung oder Erniedrigung des Druckniveaus vorgenommen
wird, um die passive Federsteifigkeit zu beeinflussen.
Schließlich wird eine weitere Ausgestaltung dadurch geschaffen, daß die
Ventilhysterese bei der Druckregelung durch Mitkopplung der Störgröße
Geschwindigkeit kompensiert wird.
Die Einrichtung zur Dämpfung von Schwingungen zwischen einem
Schienenfahrzeugaufbau und einem Schienenfahrgestell basiert auf einer
zwischen Schienenfahrzeugaufbau und Schienenfahrgestell wirkenden
doppelseitig beaufschlagbaren Kolben-Zylinder-Antriebseinheit, die
aus einer an ein pneumatisches oder
hydraulisches Kolben-Zylinder-System angeschlossenen Regeleinrichtung mit
einer dem Kolben zugeordneten Wegmeßeinrichtung und einem den
Druckräumen zugeordneten System von Regel- und Rückschlagventilen besteht. Eine
solche Einrichtung pro Fahrzeug ist weder mit einem großen Gewicht
verbunden, noch wird ein großer Raum für die Unterbringung beansprucht.
Die Einrichtung ist dahingehend weitergebildet, daß an das System der
Regel- und Rückschlagventile ein jedem Druckraum im Zylinder
zugeordneter Speicher angeschlossen ist. Somit sind beide Kolbenseiten
mit einem Speicher verbindbar.
Andere Maßnahmen zielen darauf ab, daß an der Wegmeßeinrichtung eine
Regelelektronik mit einer Prioritätsschaltung und eine
Vergleichsschaltung für die Drücke im Druckraum des Zylinders und im
zugeordneten Speicher angeordnet ist.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und
werden im folgenden näher beschrieben.
Es zeigt
Fig. 1 eine Vorderansicht auf einen Schienenfahrzeugaufbau und ein
Schienenfahrgestell,
Fig. 2 eine hydraulische oder pneumatische Schaltung in Verbindung
mit der Dämpfungseinrichtung,
Fig. 3 eine Doppelanordnung mit einer kreuzweisen Verbindung des
Zylinders oder des Kolbens entweder mit dem
Schienenfahrzeugaufbau oder mit dem Schienenfahrgestell, von
oben betrachtet, und
Fig. 4 ein Flußdiagramm für ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
einer Querkraftregelung.
Von dem Schienenfahrzeug ist in Fig. 1 ein Schienenfahrzeugaufbau 1 und
Schienenfahrgestell 2 gezeigt. Beide sind zur Abfederung in senkrechter
Richtung X mittels nach innen geneigter Schraubenfedern 3 und 4, deren
Achsen sich weit draußen auf einer Kegelspitze schneiden, abgestützt.
Außerdem sind zwischen dem Schienenfahrzeugaufbau 1 und dem
Schienenfahrgestell 2 an Auslegern 5 bzw. 6 Stabilisatoren 7 und 8
gelenkig befestigt, die aus hydraulischen Dämpfern bestehen.
Diese mechanischen, hydraulischen oder pneumatischen Federanordnungen,
bestehend aus den Schraubenfedern 3 und 4, den Stabilisatoren 7 und 8,
fangen in Querrichtung zur Fahrtrichtung 9 nur teilweise die
entstehenden Schwingungen auf. Bei diesen Schwingungen liegen außerdem
unterschiedliche Passivkräfte mit unterschiedlicher Dynamik vor. Die
Passivkräfte sind vom Schienenfahrzeug selbst erzeugte Schwingungen,
die das Fahrzeug veranlassen, mit seinen Rädern bzw.
Radgruppen 10 und 11 zwischen den Schienen eines Gleises hin- und
herzupendeln.
Um nunmehr Aktivkräfte auf die auftretenden Passivkräfte abzustimmen,
ist zwischen dem Schienenfahrzeugaufbau 1 und einem Schienenfahrgestell
2 jeweils zumindest ein pneumatischer oder hydraulischer Zylinder 12
angeordnet und mit seinem Ende 12a an einem Gelenk 13 auf dem
Schienenfahrgestell 2 über ein Lager 2a befestigt. Seine Kolbenstange
14 ist dementsprechend mit einem Gelenk 14a an dem
Schienenfahrzeugaufbau 1 befestigt bzw. gelagert. Auf dem
Schienenfahrgestell 2 befinden sich außerdem Stützen 15a und 15b mit
elastischen Anschlägen 16a und 16b für eine zwischen beiden
angeordnete Führungsstange 17, die an dem Schienenfahrzeugaufbau 1
befestigt ist. Das System des aktiven Eingriffs in auftretende
Schwingungen bedient sich im Ausführungsbeispiel eines Spiels von ca.
±30 mm zwischen der Führungsstange 17 und den elastischen Anschlägen
16a und 16b. Erst bei Überschreiten dieses Spiels greift die aktive
Querkraftregelung in das Schwingungsverhalten ein und übernimmt die
weitere Führung des Schienenfahrzeugaufbaus 1 gegenüber dem
Schienenfahrgestell 2.
Gemäß Fig. 2 ist in dem Zylinder 12 der Kolben 14d doppelseitig
beaufschlagbar, wobei die Drücke p1 und p2 in Abhängigkeit von
Fahrzuständen geregelt werden, indem untere Fahrsteifigkeiten
entsprechend der Dynamik und der Höhe der Aktivkräfte zwischen
Schienenfahrzeugaufbau und Schienenfahrgestell eingestellt werden.
Hierzu ist ferner eine Längenmeßeinrichtung 18 mit einem Wegumsetzer 19
vorgesehen, dessen Signale in einen Mikroprozessor 20 eingegeben
werden, in dem außerdem die Signale der Drücke p1 und p2 sowie weitere
Drücke p3 und p4 eines ersten Druckspeichers 21 bzw. eines zweiten
Druckspeichers 22 eingegeben werden. Der Mikroprozessor 20 gibt die
errechneten Werte in Form von Signalen an Steuer- bzw. Stetigventile
V1, V2, V3 und V4 bzw. V5 weiter, die wie dargestellt geschaltet sind.
Die Druckspeicher 21 und 22 sind hierbei über Rückschlagventile 23 bzw.
24 und diese an eine Druckquelle 25 geschaltet.
Die Wirkungsweise der Einrichtung ergibt sich aus dem Flußleitplan
gemäß Fig. 4:
Aus den Drücken p1 und p2 wird ein Weg "s" aus der Längenmeßeinrichtung
18 und dem Wegumsetzer 19 in den Mikroprozessor 20 eingelesen. Aufgrund
dieser Werte kann festgestellt werden, ob sich der
Schienenfahrzeugaufbau 1 außerhalb der Mittellage befindet und ob eine
vorhandene Auslenkung größer ist als die vorgegebene Zone. Daraus
errechnet sich der Soll-Wert, der als Signalrampe zur Verfügung gestellt
wird. Dementsprechend wird festgestellt, ob der Soll-Wert gleich null
oder größer als null ist (vgl. Flußdiagramm gemäß Fig. 4). Die Drücke
p1 und p2 werden sodann aus den Soll- und Ist-Werten als Wege in den
entsprechenden Druckräumen errechnet und als Signale an die Ventile V1
bis V5 gegeben in einem System mit den Druckspeichern 21 und 22.
Hierbei kann es vorkommen, daß der Druck p1 oder der Druck p2 auf einen
anhand des Wegsignals aus der Längenmeßeinrichtung 18 berechneten
Soll-Wert geregelt wird und daß bei Auftreten von Schwingungen über
den Zylinder 12 oder über den Kolben 14d Energie in den Speicher 21
oder 22 zurückgespeist wird.
Gemäß Fig. 3 ist eine verdoppelte Anordnung mit Seiten vertauscht zur
Befestigung von zwei Zylindern 12 gezeigt. Beim in der Zeichnung oben
liegenden Zylinder 12 befindet sich die Kolbenstange 14 und das Gelenk
14a rechts, hingegen beim unteren Zylinder 12 auf der linken Seite.
Analog liegen beim oberen Zylinder 12 das Zylinderende 12a sowie das
Gelenk 13 links, hingegen beim unteren Zylinder 12 auf der rechten Seite.
Zwischen beiden Zylindern 12 sind sodann die Stützen 15a und 15b mit den
elastischen Anschlägen 16a bzw. 16b und die Führungsstange 17
(geschnitten) sichtbar.
Die Erfindung kann sowohl mit einem Kolben-Zylinder-System oder auch
mit mehreren gemäß Fig. 3 und auch mit mehr als zwei
Kolben-Zylinder-Systemen in Abhängigkeit der zu dämpfenden Massen
verwirklicht werden.
Claims (10)
1. Einrichtung zum Dämpfen von Schwingungen eines Schienenfahrzeuges,
die im wesentlichen in einer oder mehreren Ebenen, insbesondere in
Querebenen zur Fahrtrichtung zwischen dem Schienenfahrzeugaufbau
und dem Schienenfahrgestell auftreten und die nur teilweise von
mechanischen und/oder pneumatischen Federanordnungen aufgefangen
werden, wobei unterschiedliche Aktivkräfte mit unterschiedlicher
Dynamik vorliegen,
dadurch gekennzeichnet,
daß in zumindest einem zwischen Schienenfahrgestell (2) und
Schienenfahrzeugaufbau (1) angeordneten pneumatischen oder
hydraulischen Zylinder (12) mit doppelseitig beaufschlagbarem Kolben (14d)
über mehrere Ventile die Drücke in Abhängigkeit von Fahrzuständen
geregelt werden, indem unterschiedliche Fahrsteifigkeiten
entsprechend der Dynamik und der Höhe der Aktivkräfte zwischen
Schienenfahrzeugaufbau und Schienenfahrgestell eingestellt werden.
2. Einrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die dynamische Fahrsteifigkeit frequenzabhängig in der Art
beeinflußt wird, daß bei hohen Frequenzen ein relativ weiches
System entsteht.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Druck in dem Zylinder (12) auf einen anhand eines Wegsignals
berechneten Soll-Wert geregelt wird und daß bei Auftreten von
Schwingungen über den Zylinder oder über den Kolben Energie in
einen Speicher (21 bzw. 22) zurückgespeist wird.
4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß über eine programmgesteuerte Einrichtung (Mikroprozessor 20) eine Entscheidung
herbeigeführt wird, über welche der durch Ventile gebildeten
Schaltungsverzweigungen die Ausregelung des Ist-Druckes erfolgt.
5. Einrichtung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß durch eine Prioritätsschaltung in Abhängigkeit von den
Zylinderdrücken, von den Speicherdrücken und von der geforderten Kraft eine
energetische Optimierung des Systems errechnet wird.
6. Einrichtung nach Anspruch 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß über die programmgesteuerte Einrichtung (Mikroprozessor 20) eine Erhöhung oder
Erniedrigung des Druckniveaus vorgenommen wird, um die passive
Federsteifigkeit zu beeinflussen.
7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Ventilhysterese bei der Druckregelung durch Mitkopplung der
Störgröße Geschwindigkeit kompensiert wird.
8. Einrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß das
Kolben-Zylinder-System (14d und 12)
mit einer dem Kolben (14d) zugeordneten Wegmeßeinrichtung (18) und mit
einem den Druckräumen (p1, p2) zugeordneten System von Regel- und
Rückschlagventilen (V1 bis V5) versehen ist.
9. Einrichtung nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß an das System der Regel- und Rückschlagventile (V1 bis V5) ein
jedem Druckraum (p1, p2) im Zylinder (12) zugeordneter Speicher
(21 bzw. 22) angeschlossen ist.
10. Einrichtung nach Anspruch 8 oder 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß an die Wegmeßeinrichtung (18) eine Regelelektronik mit einer
Prioritätsschaltung und eine Vergleichsschaltung für die Drücke
(p1, p2) im Druckraum (p1, p2) des Zylinders (12) und im
zugeordneten Speicher (21 bzw. 22) angeschlossen sind.
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D1 | Grant (no unexamined application published) patent law 81 | ||
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