EP0877694B1 - Verfahren zur beeinflussung des knickwinkels von schienenfahrzeug-wagenkästen und schienenfahrzeug zur durchführung des verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beeinflussung des Knickwinkels zwischen den Längsachsen von benachbarten Wagenkästen eines mehrgliedrigen, auf einer Gleistrasse fahrenden Schienenfahrzeugs gemäß Anspruch 1 und ein Schienenfahrzeug zur Durchführung dieses Verfahrens.

Um den Knickwinkel zwischen den Längsachsen von benachbarten Wagenkästen eines mehrgliedrigen, auf einer Gleistrasse fahrenden Schienenfahrzeugs beeinflussen zu können (DE 28 54 776 A1), wird so verfahren, daß die Verdrehung der Längsachse eines Wagenkastens gegenüber dem zugehörigen Drehgestell gemessen und abhängig davon über ein Steuergerät eine Aktorenanordnung in Form von hydraulisch beaufschlagbaren Kraftzylindern gesteuert wird. Diese Aktorenanordnung wirkt elektrisch auf das Steuergerät und mechanisch zwischen den über ein einziges Knickgelenk miteinander verbundenen Enden benachbarter Wagenkästen. Die Steuerung der Aktorenanordnung erfolgt dabei so, daß die zweiachsigen drehzapfenlosen Drehgestelle, auf welchen die Wagenkästen über elastische Sekundärferdern abgestützt sind, vollkommen von der Funktion des Kraftspenders befreit werden und der Verschleiß der Spurkränze und der Schienen wesentlich herabgesetzt wird. Hierbei blockiert die Aktorenanordnung das Knickgelenk bei Geradeausfahrt in einer Stellung über Gleistrassenmitte und erzwingt bei Bogenfahrt das Ausknicken des Knickgelenks zur Bogenaussenseite der Gleistrasse. Durch diese zwangsgesteuerte Auslenkung wird eine verbesserte Nutzung des Lichtraumes bei Kurvenfahrt des Schienenfahrzeugs angestrebt.

Von Nachteil ist bei dieser Anordnung und Verfahrensweise, daß eine dauernde zwangsmäßige Steuerung des Knickgelenks nötig ist, da die aus der Knickung resultierenden Kräfte völlig vom Drehgestell fern gehalten werden sollen.

Als stand der Technik siehe man auch DE-C1-195 26 865, wobei alle Fahrwerke hinsichtlich ihrer Ausdrehwinkel zum jeweiligen Wagenkasten durch mechanische Mittel immer in einer festen Beziehung Zueinander stehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Verfahren und Schienenfahrzeug anzugeben, durch welche eine Steuerung der Wagenkästen in der Weise möglich wird, daß dieselben bei dynamischer Fahrt zueinander in einer Stellung stehen, wie sie der statischen Lage im entsprechenden Gleistrassenabschnitt entspricht.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß der Erfindung durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten bzw. zwölften Anspruchs.

Bei einer Verfahrensweise und einer Ausgestaltung gemäß der Erfindung wird aus dem während der Fahrt des Schienenfahrzeugs gemessenen Knickwinkel am Knickgelenk und dem Verdrehwinkel am jeweiligen Drehgestell sowie dem bekannten Abstand zwischen Knickgelenk und jeweiligen virtuellen Mittelpunkt des betreffenden Drehgestells der Verlauf der Gleistrasse im Bereich der Aufstandspunkte der Drehgestelle bestimmt und abgespeichert. Für den jeweils folgenden differentiellen Gleisstreckenabschnitt wird der gleiche Meßvorgang vorgenommen und die daraus sich ergebenden Koordinaten für diesen partiellen Gleisstreckenabschnitt wiederum abgespeichert. Diese Meßwertaufnahme und Speicherung erfolgt zumindest über eine Strecke, die zwischen dem ersten und dem letzten Drehgestell des mehrgliedrigen Gelenk-Schienenfahrzeugs liegt. Im so abgebildeten Gleisstreckenabschnitt ist somit nicht nur der Ort bestimmt, an welchem sich das erste Drehgestell befindet, sondern auch der oder die örter zu bestimmen, an dem sich das oder mehrere nachfolgende Drehgestelle befinden. Nachdem auch zu diesen weiteren Örtern der Verlauf des dortigen Gleisstreckenabschnitts in der Speicherreihe enthalten ist, ist somit für alle aktuellen Aufstandspunkte der Drehgestelle die aktuelle Iststellung der Drehgestelle bekannt, nachdem dieselben im betreffenden Gleisstreckenabschnitt geführt sind.

Zur Iststellung der Drehgestelle ist die Sollstellung der Wagenkästen zu ermitteln, wie sie sich im statischen Zustand einstellt, wenn das Schienenfahrzeug an dieser Stelle steht. In dieser statischen Sollstellung wird der Lichtraum minimiert. Zudem ist in dieser statischen Sollage die in den Sekundärfedern durch Verdrehen und Querverschiebung des Wagenkastens gegenüber dem Drehgestell gespeicherte Energie am geringsten. Die Sollstellung der Wagenkästen zueinander läßt sich somit auf der Grundlage der geringsten, in den Sekundärfederelementen gespeicherten Energie ermitteln und als Sollwinkel für die Stellung des Knickgelenks und der Drehgestelle gegenüber den Wagenkästen als entsprechende Sollwertsignale ausgeben. Die Sollstellung bzw. die zugehörigen Sollwertsignale werden dann mit der Iststellung bzw. den Istwertsignalen für den Knickwinkel und den Verdrehwinkel verglichen und abhängig von diesem Vergleich eine Aktoranordnung gesteuert, die einer Soll-Istwertabweichung entgegenwirkt. Es werden also die Istwerte der Knick- und Verdrehwinkel zunächst zur Bestimmung des Gleistrassenverlaufs ausgewertet, daraus die statische Sollstellung der Wagenkästen in Bezug auf den aktuellen Gleisstreckenabschnitt bestimmt, mit den bereits vorher festgehaltenen Istwerten verglichen und daraus ein Steuersignal für die Aktorenanordnung zur Korrektur der Soll-Istwertabweichung generiert.

Werden dabei aktiv kraftabgebende Aktorelemente eingesetzt, kann bei einem dem Sollwert nacheilenden Istwert eine Kraftkomponente auf die Wagenkästen im Bereich des Knickgelenks oder zwischen Wagenkasten und zugehörigen Drehgestell ausgeübt werden, welche die Wagenkästen zur Sollstellung hin beschleunigen und bei Überschwingen des Istwertes über den Sollwert hinaus eine entgegengerichtete Kraft ausüben. Werden dagegen steuerbare Dämpfer angewandt, dann wird mit denselben bei einer von der Sollstellung weglaufenden Änderung der Iststellung einer weitergehenden gleichgerichteten Änderung der Iststellung entgegengewirkt. Die Dämpferelemente werden demnach nur so lange wirksam, wie sich der Istwert vom erreichten Sollwert entfernt. Zum Sollwert hinlaufende Änderungen des Istwertes werden dagegen nicht bedämpft.

Die erfindungsgemäße Steuerung ist besonders dann vorteilhaft, wenn die Wagenkästen durch Ausfall von Bremsen, durch Ausfall des Antriebs an einem vorlaufenden Drehgestell oder bei dergl Fehlfunktionen oder auch durch Schieben in eine betriebsunübliche, ggf. gefährliche V- oder Z-Stellung zueinander gelangen und entgleisen können.

Zur Ermittelung des Verlaufs der Gleistrasse kann die Differenz der Fahrstrecken am bogeninneren und am bogenäußeren Schienenrad des ersten Drehgestells festgestellt und daraus der Bogenradius der Gleistrasse im Bereich des in Fahrtrichtung ersten Drehgestells ermittelt werden. Die dabei ermittelten Werte werden wiederum als Meßreihe zumindest für den zwischen dem ersten und letzten Drehgestell liegenden aktuellen Steckenabschnitt insbesondere als koordinatenbezogene Meßwerte abgelegt, so daß die jeweils gespeicherte Daten- bzw. Meßwertreihe den aktuellen Streckenverlauf abbildet, auf den zur Ermittelung der Sollstellung der Wagenkästen jeweils zurückgegriffen wird. Die Differenz der Fahrstrecken kann dabei aus der unterschiedlichen Umdrehungszahl des bogeninneren und des bogenäußeren Schienenrades oder durch optische oder auf Radar-bzw. Ultraschallbasis arbeitende Wegstreckengeber ermittelt werden. Es kann jedoch auch zur Ermittelung des Verlaufs der Gleistrasse die Querbeschleunigung, die Neigung und die Fahrgeschwindigkeit des ersten Wagenkastens ausgewertet und die Radienwerte für differenzielle Streckenabschnitte aufeinanderfolgend als Abbildung der aktuell befahrenen Gleisstrecke gespeichert werden.

Für die technische Verarbeitung wird für den sich aus der Iststellung der Wagenkästen ergebenden Knickwinkel wie auch für den Verdrehwinkel zwischen Wagenkasten und Drehgestell je ein von der Winkelstellung abhängiges Istwertsignal generiert. Zu der aus der Abbildung der aktuellen Gleisstrecke errechneten Sollstellung der Wagenkästen werden für die sich daraus ergebenden Sollwerte des Knickwinkels wie des Verdrehwinkels jeweils entsprechende getrennte elektrische Sollwertsignale generiert. Diese Istwert- und SollwertSignale werden vorzugsweise elektrisch oder digital verglichen und daraus ein Steuersignal abgeleitet, das die Aktorenanordnung in der Weise steuert, daß die Annäherung des jeweiligen Istwertsignal an das zugehörige Sollwertsignal unterstützt bzw. einem Überschwingen oder Unterschwingen entgegengewirkt wird. Wird eine Aktoranordnung mit Dämpfercharakteristik eingesetzt, dann erfolgt deren Steuerung in der Weise, das nur Änderungen des Istwerts, die vom Sollwert weglaufen, bedämpft werden. Die Dämpfungswirkung kann dabei abhängig von der Steilheit der Änderung gesteuert werden in der Weise, daß bei hohen Änderungsgeschwindigkeiten der Dämpfungswert hoch ist. Die Aktoranordnung kann dabei Aktorelemente aufweisen, die zumindest im Bereich des Knickgelenks, zwischen den beiden benachbarten Wagenkästen und/ oder auch zwischen dem Drehgestell und dem zugehörigen Wagenkasten angeordnet sind. Vorzugsweise sind sowohl dem Knickgelenk wie dem jeweiligen Drehgestell Aktorelemente in symmetrischer Zuordnung beigeordnet.

Wird das mehrgliedrige Schienenfahrzeug aus jeweils zwei über ein Knickgelenk verbundenen Wagen aufgebaut, bei dem die beiden Wagenpaare über eine beidendig gelenkig zwischen dem zweiten und dritten Wagen angeordnete Lenkerstange verbunden sind, dann wird zweckmäßig auch hier der Streckenverlauf über die Gesamtlänge des Schienenfahrzeugs abgespeichert und die Sollstellungsbestimmung getrennt für jedes Wagenpaar durchgeführt, wobei auch hierfür Basis für diese Bestimmung das Minimum der in den Sekundärfederelementen gespeicherten Energie des jeweiligen Wagenpaares ist.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Prinzipskizzen eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Es zeiqen:

FIG. 1

einen aus drei Wagen gebildetes Schienenfahrzeug mit zugeordneten Steuerelementen auf einer gekrümmten Gleistrasse,

FIG. 2

eine Prinzipdarstellung der Anordnung nach FIG.1 mit Bezug auf ein rechtwinkliges Koordinatensystem,

FIG. 3

jeweils einen idaelisierten, als Sollwert dienenden und je einen dynamischen,dem Istwert entsprechenden Verlauf des Knickwinkels zwischen dem ersten und zweiten Wagen bzw. des Verdrehwinkels zwischen dem in Fahrtrichtung ersten Wagenkasten und dem zugehörigen Drehgestell beim Durchfahren eines Gleisbogens im Verlauf einer Gleistrasse.

Bei einem Schienenfahrzeug sind drei Wagenkästen 1,2,3 vorgesehen, die jeder auf nur einem zweiachsigen Drehgestell 4 über jeweils zwei elastische Sekundärfederelemente 5 auflagern, welche ihrerseits auf einer quer zur Längsachse des jeweiligen Wagenkastens liegenden Linie angeordnet sind und die neben ihrer vertikalen Federeigenschaft zusätzlich eine Verdrehung um eine vertikale Achse und eine Querverschiebung zulassen. Der jeweilige Wagenkasten 1,2,3 kann sich dadurch in einer parallelen Ebene zum zugehörigen Drehgestell 4 in begrenztem Maß verdrehen und seitlich verschieben. Dabei ist eine Verschiebung des Drehgestells 4 in Längsrichtung des Wagenkastens durch zumindest einen in Längsrichtung stehenden schwenkbeweglich am Drehgestell 4 wie am Wagenkasten 1, 2, 3 angelenkten Lenker unterbunden, der die in Wagenkastenlängsrichtung auftretenden Traktionskräfte zwischen Drehgestell 4 und Wagenkasten 1,2,3 überträgt. Die Sekundärfedern 5 ermöglichen somit ein Verdrehen der Längsachse des Drehgestells gegenüber der Längsachse des zugehörigen Wagenkasten um den Winkel a, die an den einzelnen Wagen in der Regel unterschiedlich groß sind. Zur Fassung dieser Winkel a ist jeweils ein Verdrehwinkelgeber 6 vorgesehen, der einerseits mit dem zugehörigen Wagenkasten 1,2,3 und anderseits mit dem zugehörigen Drehgestell 4 gekoppelt ist. Die Verdrehwinkelgeber 6 erzeugen abhängig vom jeweiligen Verdrehwinkel a Verdrehwinkel-Istwertsignale V1, V2, V3, die als Eingangssignale einer Steuereinheit 7 zugeführt werden. Die Wagenkästen 1,2 bzw. 2,3 sind jeweils über ein Knickgelenk 8 mit zugeordnetem Knickwinkelgeber 9 gelenkig verbunden, wobei das Knickgelenk 8 jeweils das einzige Gelenk zwischen benachbarten Wagenkästen ist. Der Knickwinkelgeber 9 generiert abhängig vom Knickwinkel, unter dem die Längsachsen der zugehörigen Wagenkästen zueinander stehen, ein Knickwinkel-Istwertsignal K1 bzw. K2, die ebenfalls als Eingangssignale der Steuereinheit 7 zugeführt werden.

Um den Knickwinkel an den einzelnen Knickgelenken 8 beeinflussen zu können, ist eine Aktoranordnung mit symmetrisch zum jeweiligen Knickgelenk 8 zwischen den einander zugewandten Enden der benachbarten Wagenkästen angeordneten steuerbaren Aktorelementen 10 vorgesehen, mit welchen eine Kraftkomponente zwischen den benachbarten Wagenkästen erzeugt werden kann. Weitere entsprechende Aktorelemente 11 stehen in symmetrischer Anordnung einerseits mit dem jeweiligen Drehgestell 4 und anderseits mit dem zugehörigen Wagenkasten 1, 2 bzw. 3 in Wirkverbindung. Jedes Aktorelement 10 ist mit einem Aktorsteuereingang AST ausgestattet, die an entsprechende Aktorsteuerausgänge AST 1 bis AST 4 der Steuereinheit 7 angeschlossen sind. Die Aktorelemente 11 weisen ebenfalls Steuereingänge S auf, die ihrerseits an entsprechende Steuerausgänge S1 bis S6 der Steuereinheit 7 angeschlossen sind. Dabei können jeweils die Steuereingänge für die Aktoren 11 eines Drehgestells 4 parallel geschaltet sein, um eine unsymmetrische Verdrehung des Drehgestells unter der Wirkung dieser Aktoren 11 zu verhindern.

Die Räder 12 der beiden Radsätze jedes Drehgestells 4 laufen spurgebunden in einer Gleistrasse 13, so daß das

zugehörige Drehgestell zwangsläufig eine durch den aktuell befahrenen Gleisabschnitt bestimmte Lage einnimmt. Diese Lage entspricht im wesentlichen der Tangente an den Gleisbogenabschnitt 13 im Bereich des betreffenden Drehgestells 4. In Folge der nur am jeweiligen Knickgelenk 8 gekoppelten Wagenkästen 1,2,3 können sich dieselben nicht frei entsprechend der Stellung des Drehgestells ausrichten. Es ergibt sich dadurch eine Verdrehung der Sekundärfedern 5 um eine vertikale Achse und in der Regel auch eine leichte Verschiebung quer zur Wagenkastenlängsachse WL. Die Winkellage der einzelnen Wagenkastenlängsachsen WL der Wagenkästen 1,2,3 gegenüber der Drehgestellängsachse DL der zugehörigen Drehgestelle 4 ist dabei aus FIG. 2 zu entnehmen. Daraus ergibt sich auch, in einem allerdings weit überzogenen Maßstab, die mit der Verdrehung einhergehende Querverschiebung h zwischen der Wagenkastenlängsachse WL und der Drehgestellängsachse DL, die ebenfalls bei den einzelnen Wagenkästen 1,2,3 in der Regel unterschiedlich groß ist. Diese Verdrehung und Querverschiebung muß von den jeweiligen Paaren der Sekundärfedern 5 aufgenommen werden, d.h. die Sekundärfedern 5 speichern die sich daraus ergebende Energie. Im statischen Zustand, also bei stehendem Schienenfahrzeug nimmt die Summe dieser Einzelenergien einen Minimalwert an. Im Fahrbetrieb wird diese Energie auf Grund zusätzlich einwirkender dynamischer Kräfte vergrößert. Dementsprechend ist der vom gesamten Schienenfahrzeug beanspruchte Lichtraum im statischen Betrieb ein Minimum und erreicht im Fahrbetrieb Werte, die den dem statischen Betrieb entsprechenden Lichtraum überschreiten können. Um dem entgegenwirken zu können, wird bei der Steuerung so verfahren, daß die Wagenkästen 1,2,3 im dynamischen Fahrbetrieb abhängig vom aktuell befahrenen Gleisabschnitt in eine an sich dem statischen Zustand entsprechende Stellung mit Hilfe der Aktoren 10 und gegebenfalls 11 gesteuert werden. Hierzu wird jeweils der Verlauf der Gleistrasse

zumindest über eine Länge erfaßt und abgebildet, die aktuell zwischen dem ersten und letzten Drehgestell des auf der Gleistrasse 13 laufenden Schienenfahrzeugs liegt. Zu diesem während der Fahrt fortlaufend aktuallisierten Gleistrassenabschnitt wird die Sollstellung der Wagenkästen zueinander ermittelt, die sie, wie vorstehend erläutert, im statischen Zustand, also im stehenden Betrieb gegenüber der Gleistrasse unter Berücksichtigung der Aufstandspunkte der Drehgestelle zueinander einnehmen würden. Durch Vergleich der aktuellen Iststellung der Wagenkästen zueinander mit der aus dem Gleistrassenverlauf ermittelten zugehörigen Sollstellung wird der Abweichung abhängig vom Vergleichsergebnis zumindest dann entgegengewirkt, wenn sich der Istwert vom Sollwert entfernt. Diese Verfahrensweise ist dann zweckmäßig, wenn die der mechanischen Steuerung dienenden Aktoren steuerbare Dämpfer sind, die die Beweglichkeit im Bereich des Knickgelenks und/oder zwischen jeweiligem Drehgestell und Wagenkasten abbremsen. Hierbei kommen insbesondere hydraulische Dämpfer zur Anwendung, deren Dämpfcharakteristik abhängig von der Verstellgeschwindigkeit ist. Werden kraftabgebende Aktoren verwendet, wie beispielsweise Hydraulikzylinder oder elektromotorisch angetriebene Spindelantriebe, dann können zwischen den Wagenkästen bzw. zwischen Drehgestell und zugehörigem Wagenkasten gesteuerte Kraftkomponenten eingebracht werden, welche den Knickwinkel und/oder den Verdrehwinkel aktiv zum Sollwert hinführen und bei einem Überschwingen des Istwerts über den jeweils vorgegebenen Sollwert auch dieser Änderung durch Wechseln der Kraftrichtung entgegenwirken.

Die Ermittlung des Verlaufs des zumindest aktuell befahrenen Gleistrassenabschnitts kann auf unterschiedliche Weise erfolgen. So ist es möglich, in einem konstanten Takt , also in mehreren Schritten fortlaufend den aktuellen Knickwinkel zwischen den Längsachsen von zwei benachbarten Wagenkästen und den Verdrehwinkel zumindest zwischen dem in Fahrtrichtung ersten Drehgestell und dem zugehörigen Wagenkasten zu ermitteln und aus diesen Winkeln und den vorgegebenen Abständen zwischen dem Knickgelenk und den beiden benachbarten Drehgestellen den Bogenradius der Gleistrasse im Bereich des ersten Drehgestells für den dortigen aktuellen differentiellen Gleisstreckenabschnitt zu bestimmen. Ein differentieller Gleisstreckenabschnitt ist dabei ein im Vergleich zum Streckenabschnitt zwischen erstem und letztem Drehgestell liegender kurzer Trassenteil. Zu diesem differentiellen Gleisstreckenabschnitt werden zugleich koordinatenbezogene Meßwerte bestimmt und diese Meßwerte wenigstens für den zwischen dem ersten und letzten Drehgestell liegenden Streckenabschnitt fortlaufend als Abbildung des entsprechenden Gleisabschnitts abgelegt. Die Werte für Gleistrassenabschnitte, die in Fahrtrichtung hinter dem letzten Drehgestell liegen, könne jeweils gelöscht werden, wenn die Gleistrasse nicht insgesamt für weitere Fahrten ohne eigene Trassenermittlung befahren werden soll.

Die Ermittlung des Verlaufs der Gleistrasse kann aber auch aus der Differenz der Fahrstrecken am bogeninneren Gleis und am bogenäußeren Gleis erfolgen, wobei aus dieser Differenz der Bogenradius der Gleistrasse im Bereich des in Fahrtrichtung ersten Drehgestells ermittelt wird und die daraus für die entsprechenden differentiellen Streckenabschnitte gewonnenen koordinatenbezogenen Meßwerte wieder als digitale Abbildung des befahrenen Steckenabschnitts in einer Meßwertreihe abgelegt werden. Die Differenz der Fahrstrecken kann dabei durch Messung der Umdrehungszahlen am bogeninneren bzw. bogenäußeren Losrad des ersten Drehgestells oder durch Ultraschall- oder Radar-Wegmeßgeräte festgestellt werden. Der Verlauf der Gleisstrecke kann jedoch auch aus der Querbeschleunigung, der Neigung des Wagenkastens und der Fahrgeschwindigkeit ermittelt werden, indem aus diesen Werten der Bogenradius der Gleistrasse bestimmt wird und zu entsprechenden differentiellen Streckenabschnitten wieder die koordinatenbezogenen Meßwerte als Streckenverlauf in einem mehrzelligen Speicher abgelegt werden.

Zur Ermittlung der aktuellen Sollstellung der Wagenkästen 1,2,3 zum im Speicher abgelegten aktuellen Verlauf der Gleistrasse 13 wird von der Bedingung ausgegangen, daß bei der der Sollstellung entsprechenden statischen Ruhestellung die Sekundärfedern 5 der durch Knickgelenke 8 miteinander verbundenen Wagenkästen insgesamt ein Energieminimum hinsichtlich ihrer Verdrehung um eine vertikale Achse und einer Querverschiebung aufweisen. Dementsprechend wird vorzugsweise in einem digitalen Rechengang nach einem entsprechenden Algorithmus zu dem aktuellen Verlauf der Gleistrasse bestimmt, unter welchen Winkeln benachbarte Wagenkästen zueinander bzw. deren Drehgestelle zum Wagenkasten in der Sollstellung aufweisen müssen. Es werden also zur Sollstellung zugehörige Sollwertsignale für den Knickwinkel zwischen den Längsachsen der benachbarten Wagenkästen bestimmt. Analog dazu werden zur ermittelten Sollstellung auch die zugehörigen Sollwertsignale für den Verdrehwinkel zwischen Drehgestell und zugehörigem Wagenkasten durch digitale Datenverarbeitung generiert.

Die Iststellung der Wagenkästen ergibt sich aus dem Knickwinkel und dem/den Verdrehwinkel/n, wie sie durch die Knickwinkelgeber 9 bzw. die Verdrehwinkelgeber 6 tatsächlich gemessen und als insbesondere elektrische Istwertsignale K bzw. V ausgegeben und an die Steuereinheit 7 zur Weiterverarbeitung geleitet werden.

In der Steuereinheit 7 werden die Istwertsignale mit den Sollwertsignalen verglichen und abhängig davon eine Steuerung der Aktoren 10 und gegebenfalls 11 durchgeführt. Dabei können die Aktoren 10,11 so gesteuert werden, daß bei Istwertsignalen, die dem Sollwert nacheilen, die aus der Dynamik herührenden Knick-bzw. Verdrehkräfte zwischen den zugehörigen Wagenkästen bzw. Drehgestell und Wagenkasten so unterstützt werden, daß die Istwertsignale sich den Sollwertsignalen annähern bzw. daß sie beim Überschwingen der Istwerte über den Sollwert hinaus in gegenläufiger Richtung gesteuert werden. Werden die Aktoren dagegen nur als Dämpfungselemente ausgebildet, ist eine aktive Unterstützung der Drehbewegungen zur schnelleren Annäherung der Istwerte an die Sollwerte nicht möglich, jedoch wird dann, wenn der Istwert den Sollwert erreicht hat und anschließend vom Sollwert wegläuft, eine Bedämpfung der entsprechenden Wagenkastenbewegung bewirkt. Sobald wieder eine Annäherung des Istwertes an den Sollwert erfolgt, wird diese Bedämpfung aufgehoben damit sich die Wagenkasteniststellung der Sollstellung möglichst ungehindert annähern kann.

Die Aktoranordnung 10,11 weist vorzugsweise je zwei symmetrisch zum jeweiligen Knickgelenk 9 und/oder zu den Drehgestellen 4 angeordnete Aktorelemente auf. Während die Aktoren 11 am Drehgestell 4 jeweils gleichsinnig arbeiten müssen, um eine symmetrische Verdrehung gegenüber dem zugehörigen Wagenkasten zu erreichen und daher je Drehgestell 4 an einen gemeinsamen Ausgang S1/S2, S3/S4, S5/S6 der Steuereinheit 7 angeschlossen werden können, müssen die Aktorelemente 10 im Bereich des jeweiligen Knickgelenks 9 aufgrund ihrer Anordnung in einer waagerechten Ebene jeweils neben dem Knickgelenk 9 in gegenläufigem Sinne gesteuert werden. Es muß also beim Strecken des einen Aktorelements 10 das andere entweder wirkungslos oder
im Sinne einer Verkürzung der axialen Länge gesteuert werden.

In FIG. 3 ist der "statische" Knickwinkel-Sollwert im Vergleich zum zugehörigen "dynamischen" Knickwinkel-Istwert und gleichzeitig der "statische" Verdrehwinkel-Sollwert im Vergleich zum "dynamischen" Verdrehwinkel-Istwert an dem in Fahrtrichtung ersten Drehgestell für einen Gleisstreckenabschnitt dargestellt, der von einer Geraden in einen Bogen mit konstantem Bogenradius führt. Die Soll- und Istwertsignale sind dabei von im Betrieb auftretenden Störschwingungen befreit. Über der als Abszisse aufgetragenen Länge einer Gleisstrecke sind auf der linken Ordinate Knickwinkelwerte und auf der rechten Ordinate Verdrehwinkelwerte aufgetragen. Die 0-Punkte sind dabei nicht höhengleich.

Beim Einfahren eines ersten Drehgestells aus einer geraden Gleistrasse in einen Gleisbogen mit konstantem Radius steigt der Sollwert des Knickwinkels annähernd linear auf einen Maximalwert, bis die beiden zugehörigen Wagenkästen bzw. deren Drehgestelle im Bogenabschnitt laufen. Ohne Änderung des Radius verbleibt der Knickwinkel anschließend konstant auf dem Maximalwert. Der Verlauf des Knickwinkel-Sollwerts entspricht dabei dem Verlauf, wie er sich Punkt für Punkt bei gegen Null gehender Fahrgeschwindigkeit oder im stehenden Betrieb ergibt. In gleicher Weise ist auch der Sollwert-Verdrehwinkel in das Schaubild eingetragen, der zunächst in gegenläufiger Änderungsrichtung vom Wert Null aus abfällt, und anschließend wieder bis zum Wert Null ansteigt, wenn auch das zweite Drehgestell in den Gleisbogen eingefahren ist. Die Wagenkästen stehen dann zumindest weitgehend tangential zum Schienenbogen.

Der Verlauf der Knickwinkel-Sollwertlinie wird aus dem Verlauf der aktuell befahrenen Gleisstrecke auf der Basis des jeweils kleinsten Gesamtenergieinhalts der zu berücksichtigenden Quer- und Verdrehkräfte der zugehörigen Sekundärfederelemente errechnet und kann vorzugsweise als fortlaufende Folge von Sollwerten für die zugehörigen differentiellen Gleisstreckenabschnitte abgespeichert werden. In analoger Weise wird auch der Sollwert für den Verdrehwinkel ermittelt.

Der Knickwinkel-Istwert, der sich bei Befahren des betreffenden Gleisstreckenabschnitts ohne Beeinflussung durch Aktoren einstellt, beginnt beim Einfahren aus einer Geraden in einen Gleisbogen selbstverständlich ebenfalls beim Wert Null und steigt in Folge der Massenträgheit gegenüber dem Sollwert zeitverzögert an. Die Massenträgheit verhindert dann jedoch eine Beendigung der Knickwinkel-Istwert-Vergrößerung bei Soll-Istwertgleichheit und führt so zu einem Überschwingen des Istwerts über den Sollwert hinaus, wie es der den Sollwert nach oben überschreitende Linienzug prinzipiell darstellt.

Sofern nicht anfangs durch aktiv Kraft aufbringende Aktorelemente die Knickung der Wagenkastenlängsachsen unterstützt wird, um bereits vor dem Erreichen des Maximalwerts eine Annäherung an den Sollwert zu erreichen, wird bei Anwendung von Aktoren mit Dämpfungscharakteristik dem Überschwingen des Knickwinkels erst dann entgegengewirkt, wenn der Istwert den Sollwert überschreitet. Ggf. kann die Dämpfungswirkung auch bereits dann einsetzen, wenn der Istwert kurz vor dem Sollwert liegt. Die Bedämpfung der Knickwinkel-Vergrößerung nach Überschreiten des Sollwerts ist durch das nach oben gerichtete schwarze Feld im überschwingenden Bogen dargestellt, wobei die Bedämpfung nur solange aufrechterhalten wird, wie sich der Istwert vom Sollwert entfernt. Durch entsprechend starke Bedämpfung wird die Höhe des überschwingenden Bogens weitgehend und idealerweise gegen den Wert Null hin vermindert. Der abfallende Ast des überschwingenden Bogens wird nicht bedämpft, um hierdurch die Annäherung an den Sollwert nicht zu verzögern. Bei einem Unterschwingen des Sollwerts, wie es durch den den Sollwert nach unten unterschreitenden Bogen dargestellt ist, erfolgt ebenfalls eine Bedämpfung der Knickwinkelverkleinerung ab dem Erreichen des Sollwerts, um auch dieses Unterschwingen auf ein Minimum zu reduzieren. Der anschließend zum Sollwert hinlaufende Bogenabschnitt wird wiederum nicht bedämpft. Dabei wird eine Bedämpfung von Abweichungen zwischen Soll- und Istwert nur bei Überschreiten vor gegebener Grenzwerte vorgenommen, so daß kleine betriebsübliche Winkelabweichungen zugelassen werden.

Der gestrichelt dargestellte Verlauf des betriebsbedingten dynamischen Verdrehwinkel-Istwerts folgt zunächst mit vergrößerter Amplitude dem Verlauf des ebenfalls aus der Gleisgeometrie errechneten Verdrehwinkel-Sollwerts, um nach dem Zurücklaufen zum Wert Null hin ebenfalls in Folge der Massenträgheit der Wagenkästen über den Wert Null hinaus zu schwingen. Sofern dieses Überschwingen nicht bereits durch die Bedämpfung mittels der Aktoren im Bereich des Knickgelenks auf unschädliche Werte begrenzt werden kann, kommen die Aktorelemente 11 zur Anwendung, welche zwischen Drehgestell 4 und zugehörigem Wagenkasten 1,2 oder 3 wirken. Dabei kann durch aktiv Kraft aufbringende Aktorelemente 11, also Hydraulikzylinder oder elektrische Antriebe, dem negativen Schwingungsausschlag über den Sollwert hinaus entgegengewirkt werden. Kommen als Aktoren nur Dämpfungselemente zur Anwendung, kann nur dem Überschwingen oder Unterschwingen des Sollwerts durch entsprechende Steuerung der Aktoren entgegengewirkt werden. Auch hierbei wird eine Bedämpfung entsprechend dem schwarzen Feld nur solange vorgenommen, als sich der Istwert nach Erreichen des Sollwerts von demselben in positiver wie in negativer Richtung entfernt. Zum Sollwert hinlaufende Annäherungsbewegungen des Drehgestells gegenüber dem Wagenkasten werden dagegen nicht bedämpft. Auch hier ist es möglich, die Bedämpfung kurz vor dem Erreichen des Sollwerts einsetzen zu lassen, um das Überschwingen auf ein Minimum herabzusetzen.

Entsprechende Steuervorgänge können mit Hilfe der Aktoren auch dann ausgeführt werden, wenn das Schienenfahrzeug den Gleisbogen verläßt und beim Übergang in den geraden Trassenabschnitt entsprechende, jeweils in Gegenrichtung auftretende Schwingungsvorgänge wirksam werden.

Bei einer Steuerung der Wagenkästen durch Beeinflussung des Knickwinkels zwischen den Wagenkastenlängsachsen, gegebenfalls unter zuhilfenahme der Steuerung der Drehgestelle gegenüber den Wagenkästen, kann somit die Wagenkastenstellung zueinander so gesteuert werden, daß eine zumindest weitgehend dem statischen Betrieb angenäherte Zuordnung der Wagenkästen zueinander im dynamischen Betrieb erreicht wird, so daß das Schienenfahrzeug insgesamt einen an den tatsächlichen Gleistrassenverlauf angenäherten idealen Lichtraumbedarf aufweist und denselben insbesondere dann einhält, wenn Fehlfunktionen an Brems- und/oder Antriebselementen oder andere Einflußfaktoren zu einem Schubbetrieb mit Ausknickung der Kuppelgelenke führen könnten.

Claims (17)

1. Verfahren zur Beeinflußung des Knickwinkels zwischen den Längsachsen von benachbarten Wagenkästen eines mehrgliedrigen, auf einer Gleistrasse fahrenden Schienenfahrzeugs, dessen Wagenkästen jeweils über Sekundärfedern auf nur einem zweiachsigen Drehgestell elastisch aufgelagert sind und jedenfalls zwei benachbarte Wagenkästen über ein einziges Knickgelenk gegeneinander schwenkbar miteinander gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Verlauf der Gleistrasse zumindest über eine Länge erfaßt und abgebildet wird, die aktuell zwischen dem ersten und letzten Drehgestell liegt, daß fortlaufend zu diesem jeweils aktualisierten Gleistrassenabschnitt die Sollstellung der Wagenkästen entsprechend ihrer zugehörigen statischen Ruhestellung zueinander ermittelt wird, daß die aktuelle Sollstellung mit der aktuellen Iststellung verglichen wird und daß abhängig davon einer Soll-Istwertabweichung entgegengewirkt oder zumindest bei einer von der Sollstellung weglaufenden Änderung der Iststellung einer weitergehenden gleichgerichteten Änderung der Iststellung entgegengewirkt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung der aktuellen Sollstellung der Wagenkästen zum abgelegten aktuellen Verlauf der Gleistrasse die zugehörige statische Ruhestellung der Wagenkästen aus der Bedingung bestimmt wird, daß die Energie, welche durch Verstellen der Drehgestelle gegenüber den Wagenkästen in den Sekundärfedern gespeichert ist, für den aktuellen Standort des Fahrzeugs ein Minimum erreicht.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung des Verlaufs der Gleistrasse fortlaufend der aktuelle Knickwinkel zwischen den Längsachsen benachbarter Wagenkästen und der Verdrehwinkel zwischen Drehgestell und zugehörigem Wagenkasten ermittelt sowie aus diesen Winkeln und den vorgegeben Abständen zwischen dem Knickgelenk und den beiden benachbarten Drehgestellen der Bogenradius der Gleistrasse im Bereich des ersten Drehgestells für den dortigen aktuellen differentiellen Gleisstreckenabschnitt bestimmt wird und daß die wenigstens für den zwischen dem ersten und letzten Drehgestell liegenden Streckenabschnitt fortlaufend bestimmten Werte als koordinatenbezogene Meßwerte abgelegt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung des Verlaufs der Gleistrasse aus der Differenz der Fahrstrecken am bogeninneren Gleis und am bogenäußeren Gleis der Bogenradius der Gleistrasse im Bereich des in Fahrtrichtung ersten Drehgestell ermittelt wird und daß die fortlaufend zumindest für den zwischen dem ersten und letzten Drehgestell liegenden Streckenabschnitt bestimmten Werte als koordinatenbezogene Meßwerte abgelegt werden.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung des Verlaufs der Gleistrasse aus der Querbeschleunigung, der Neigung und der Fahrgeschwindigkeit des Wagenkastens der aktuelle Bogenradius der Gleistrasse am ersten Drehgestell ermittelt wird und daß die fortlaufend zumindest für den zwischen dem ersten und dem letzten Drehgestell liegenden Steckenabschnitt bestimmten aktuellen Werte als koordinatenbezogene Meßwerte abgelegt werden.
6. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß zur ermittelten Sollstellung zugehörige Sollwertsignale für den Knickwinkel zwischen den Längsachsen der benachbarten Wagenkästen bestimmt werden.
7. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß zur ermittelten Sollstellung zugehörige Sollwertsignale für den Verdrehwinkel zwischen Drehgestell und zugehörigem Wagenkasten bestimmt werden.
8. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß für die Iststellung der aktuelle Knickwinkel zwischen den Längsachsen der Wagenkästen in Istwertsignale umgesetzt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß für die Iststellung der aktuelle Verdrehwinkel zwischen Drehgestell und zugehörigem Wagenkasten gemessen und in Istwertsignale umgesetzt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 6 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Istwertsignale mit den Sollwertsignalen verglichen werden und daß bei einer vom jeweiligen Sollwertsignal weglaufenden Änderung des zugehörigen Istwertsignals wenigstens eine dem Knickgelenk bzw. Drehgestell zugeordnete steuerbare Aktoranordnung aktiviert wird, die einer weitergehenden gleichsinnigen Änderung des Istwertsignals entgegenwirkt.
11. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Istwertsignale mit den zugehörigen Sollwertsignalen verglichen werden und daß bei einer Abweichung der Istwertsignale vom zugehörigen Sollwertsignal wenigstens eine dem Knickgelenk bzw. dem Drehgestell zugeordnete steuerbare Aktoranordung aktiviert wird derart, daß der Istwert zum zugehörigen Sollwert hingeführt wird.
12. Schienenfahrzeug zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß am Knickgelenk (8) oder zwischen den benachbarten Wagenkästen (1,2,3) ein Knickwinkelgeber (9) und zumindest zwischen dem ersten Drehgestell (4) und dem zugehörigen Wagenkasten (1) ein Verdrehwinkelgeber (6) angeordnet ist, daß diese Winkelgeber (9,6) Istwertsignale (K,V) abgeben, die einer Steuereinheit (7) zugeführt werden, welche in einem ersten Steuerschritt aus den Istwertsignalen (K,V) der Winkelgeber (9,6) und den geometrischen Abmessungen zwischen Knickgelenk (8) und benachbarten Drehgestellen (4) eine Abbildung des aktuell befahrenen Gleistrassenabschnitts generiert und speichert sowie aus dieser Trassierung auf der Basis der geringsten Energie der Sekundärfederelemente (5) für den statischen Betrieb der Wagenkästen (1,2,3) Sollwertsignale für den Knickwinkel sowie die Verdrehwinkel generiert und welche die Istwertsignale mit den zugehörigen Sollwertsignalen vergleicht, daß am Knickgelenk (8) oder zwischen den benachbarten Wagenkästen (1,2,3) und/oder zwischen Drehgestell (4) und zugehörigem Wagenkasten (1,2,3) zumindest eine steuerbare Aktoranordnung (10,11) vorgesehen ist und daß die Aktoranordnung (10,11) mittels der Steuereinheit (7) abhängig vom Vergleich von Ist- und Sollwertsignalen gesteuert wird.
13. Schienenfahrzeug nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktoranordnung (10,11) eine steuerbare Dämpferanordnung ist.
14. Schienenfahrzeug nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktoranordnung (10,11) zwei symmetrisch zum Knickgelenk (8) und/oder je zwei symmetrisch zu den Drehgestellen (4) angeordnete Dämpferelemente aufweist, deren Charakteristik gesteuert wird derart, daß der Istwert der Wagenkastenstellung dem Sollwert angenähert wird.
15. Schienenfahrzeug nach Anspruch 12 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß am ersten Wagenkasten oder ersten Drehgestell ein Wegstreckengeber angeordnet ist, der zu differentiellen Gleisstreckenabschnitten gesonderte Signale generiert, daß zu diesen Gleisstreckenabschnitten die jeweils geänderten Koordinatenwerte ermittelt werden und daß zu den Gleisstreckensignalen die zugehörigen Koordinatenwerte der Gleisstreckenabschnitte in einer Speichereinheit der Steuereinheit als Streckenverlauf des aktuell zwischen erstem und letztem Drehgestell liegendem Streckenabschnitt abgelegt werden.
16. Schienenfahrzeug nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit aus dem jeweils aktuellen Knickwinkel-Istwertsignal sowie den vorgegebenen mechanischen Abständen zwischen dem Koppelgelenk und den Drehgestellen der benachbarten Wagenkästen unter Einbeziehung des Verdrehwinkels des Drehgestells gegenüber dem zugehörigen Wagenkasten den aktuellen Bogenradius des differentiellen Gleisstreckenabschnitts am ersten Drehgestell und daraus die aktuellen Koordinaten desselben bestimmt.
17. Schienenfahrzeug nach Anpruch 12 oder einem der folgenden mit einer Steuereinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Steuereinheit ein Algorithmus zur Bestimmung einer auf einen vorbestimmten Gleistrassenabschnitt bezogenen, aus dem Istwert von Knickwinkel und/oder Verdrehwinkel abgeleiteten, in den Sekundärfedern gespeicherten Minimalenergie abgelegt ist, und daß die Steuereiheit Sollwerte für Knickwinkel und/ oder Verdrehwinkel generiert und eine Aktoranordnug steuert, die der Istwertabweichung entgegenwirkt.

Images