DE19525429C2 - Fahrzeug mit drehbarem Oberwagen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit drehbarem Oberwagen für ein Fahrge­ schäft nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Fahrgeschäfte gehören seit jeher zu den beliebtesten Attraktionen auf Volksfe­ sten. Immer neue Typen von Achterbahnen, Karussells und anderen Schleuder­ maschinen mit immer komplizierteren Dreh- und Beschleunigungsbewegungen werden entwickelt, um die Sensationslust des Publikums zu befriedigen. Da die Fahrt mit einer solchen Maschine in der Regel nicht billig ist und im Vergleich dazu nur kurz dauert, erwarten die Fahrgäste in dieser kurzen Zeitspanne ein Maximum an Vergnügen. Als sehr unbefriedigend wird es daher empfunden, wenn die Fahrt von kleinen Pausen oder Stockungen unterbrochen wird, wie dies gerade bei den neueren, kinetisch komplizierten Fahrgeschäften aufgrund un­ kontrollierter Bewegungsüberlagerungen häufig vorkommt.

Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Fahrzeug mit drehbarem Oberwagen für ein Fahrgeschäft anzugeben, bei welchem die Drehbewegungen in der Weise kontrolliert sind, daß die Fahrgäste keinen zu hohen körperlichen Belastungen ausgesetzt sind.

Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentan­ spruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß eine optimale Drehbewegung nur durch eine Dämpfung der Oberwagen-Drehbewegung in Verbindung mit der Wahl der Ex­ zentrizität des Oberwagenschwerpunktes eingestellt werden kann.

Zur Optimierung der Exzentrizität und Dämpfung gemäß der Erfindung ist ein Gütekriterium für die Qualifizierung des Fahrgefühls entwickelt worden.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Viskosedämpfung eingesetzt, da sie sich noch günstiger verhält als eine Dämpfung mittels coulombscher Rei­ bung. Das Drehverhalten des Oberwagens reagiert bei Viskosedämpfung weniger empfindlich gegenüber kleinen Änderungen des Reibkoeffizienten, wodurch der Drehwinkelverlauf längs der Bahn günstiger wird und die Oberwagendrehung nicht zum Stillstand kommt.

Vorteilhaft kann die Positionierung des drehbaren Oberwagens bei der Einfahrt des Fahrzeuges in den Bahnhof verbessert werden, so daß die Fahrgäste bequem aus- bzw. einsteigen können.

Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen mit Bezug auf die beglei­ tenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:

Fig. 1 einen drehbaren Oberwagen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt;

Fig. 2a und 2b eine Gewichts- bzw. Gesamtgütefunktion zeigt;

Fig. 3a-3d Graphen von Beispielen für Winkelverläufe zeigen;

Fig. 4a und 4b den Drehungsverlauf einer repräsentativen Fahrt zeigen.

In Fig. 1 ist ein Fahrzeug mit einem Oberwagen gezeigt, der mittels eines Dreh­ zapfens schwenkbar auf einem Fahrgestell gelagert ist. Auf dem Oberwagen sind Sitzplätze für Personen vorgesehen.

Die Fahrgäste sitzen in diesem Oberwagen, wobei die Drehung des Oberwagens gegenüber dem Fahrgestell des Wagens dadurch ausgelöst wird, daß der Schwer­ punkt des Oberwagens außermittig in einem horizontalen Abstand 1 von der senkrechten Achse entfernt liegt. Beim Befahren von horizontalen Krümmungen wird der Oberwagen vorteilhaft durch die im Schwerpunkt des Oberwagens an­ greifenden Fliehkräfte zu einer Drehbewegung um die Achse angeregt. Das Drehverhalten wird durch eine geeignete Dämpfung kontrolliert.

Bei der hier betrachteten Ausführungsform ist auf dem Fahrzeug, das eine Bahn hinunterfährt, ein Oberwagen in Form einer Plattform angebracht, auf der zwei Fahrgäste sitzen. Der Drehfreiheitsgrad des Oberwagens ist nicht angetrieben; er wird nur dadurch zur Bewegung angeregt, daß die Drehachse außerhalb des Oberwagenschwerpunkts angebracht ist.

Die Variablen in Fig. 1 sind: h_rad ist die Höhe des Unterwagens über dem Gleis, h die Höhe des Oberwagens über dem Unterwagen. Die Höhen der Schwerpunkte über dem Unterwagen der Personen auf Vorder- und Rückbank sind h_p1 und h_p2.

In der bevorzugten Ausführungsform wird eine Viskosedämpfung in der Form erreicht, daß in einem dicht abgeschlossenen Topf an den Enden von vier Dreharmen jeweils drei bis vier parallel zueinander in Umfangsrichtung ange­ ordnete Leitbleche Kanäle bilden. Bei Drehung der Arme durchströmt die Flüs­ sigkeit die Kanäle und erzeugt beim Strömen entlang der Kanalwand eine Visko­ sereibung, die die erwünschte Viskosedämpfung bewirkt. Zur Justierung des durch die Viskosereibung auftretenden Reibmomentes können die Leitbleche auf dem Dreharm in radialer Richtung verstellt werden (Änderung des Hebelarms).

In einer anderen Ausführungsform kann statt dieser Viskosedämpfung eine Dämpfung nach dem Prinzip der Wirbelstrombremsen erreicht werden. Dazu werden beispielsweise Eisenplatten durch die Drehbewegung durch eine von ei­ nem Dauermagneten erzeugtes Magnetfeld gezogen. Die dabei auftretenden Wir­ belströme bewirken den gewünschten Bremseffekt.

In einer weiteren Ausführungsform kann auch eine Dämpfung mit coulombscher Reibung herangezogen werden. Dazu werden an einem Drehzapfen Bremsbacken angepreßt, wobei der Anpreßdruck mittels Federn mit einstellbarer Vorspannung reguliert werden kann.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform bringt eine Verbesserung der Posi­ tionierung des drehbaren Oberwagens bei der Einfahrt des Fahrzeuges in den Bahnhof, so daß die Fahrgäste bequem aus- bzw. einsteigen können. Durch eine vor dem Bahnhof angeordnete "Bahnhofsbremse" und zusätzlich einem leichten Gefälle der Schienen von der Bremse bis zum Bahnhof wirken auf den Oberwa­ genschwerpunkt Trägheitskräfte, die den Schwerpunkt um die Drehachse ver­ drehen in eine in Fahrrichtung gerichtete exzentrische Lage des Schwerpunktes gegenüber der Drehachse, das heißt, die Fahrgäste fahren rückwärts (der Rücken weist in Fahrtrichtung) in den Bahnhof ein. Diese Position des Oberwagens kann zusätzlich durch kurz vor dem Bahnhofangeordnete "Leitplanken" gesichert werden. Die Stellung des Oberwagens im Bahnhof wird dann durch einen Arre­ tierbolzen, der eine feste Verbindung des Oberwagens mit dem Fahrgestell her­ stellt, fixiert. Der Arretierbolzen wird ausgelöst durch das Entlangführen einer am Fahrzeug befestigten Leitrolle über eine fest zwischen den Schienen ange­ ordnete Leitschiene.

Die neu in die Fahrzeuge eingestiegenen Fahrgäste sitzen zunächst ebenfalls mit dem Rücken in Fahrtrichtung. Beim Verlassen des Bahnhofs wird der Arretier­ bolzen ebenfalls mit einer Leitschiene gelöst. In einem unmittelbar an einen Bahnhof anschließenden Kettenaufzug wird der Oberwagen durch die schräg nach unten wirkende Gewichtskraftkomponente um 180° verdreht, so daß die Fahrgäste wieder in Fahrtrichtung sehen.

Zur Optimierung der Parameter wurde das System in mathematische Formeln überführt, welche auf vereinfachenden Annahmen beruhten. Die Analyse hat es erlaubt, Kräfte und Momente auf Drehachse und Gesamtfahrzeug bzw. Bahn zu berechnen, die Beschleunigung zu ermitteln, denen die Fahrgäste ausgesetzt sind und optimale Parameter für die Drehachsenkinematik zu ermitteln, die das beste Bewegungsverhalten des Systems ergeben.

Besondere Mühe wurde bei der Modellierung auf die Kurveneinfahrts- und - ausfahrtstöße gelegt. Diese kommen im vorliegenden Modell dadurch zustande, daß sich an den genannten Stellen durch die unstetige Krümmungsänderung der Bahn die absolute Drehgeschwindigkeit des Unterwagens um seine Hochachse (der Oberwagen ist diesbezüglich entkoppelt) sprunghaft ändert. Es tritt also theoretisch eine unendliche Drehbeschleunigung auf, welche von einer sprung­ haften Änderung der Translationsgeschwindigkeit des Wagens begleitet sein muß, damit die Energiebilanz stimmt. Die aufgrund dieses Effekts in der Realität auftretenden Kräfte und Momente sind aber relativ klein, da die Ro­ tationsenergie des Wagens auch in der Kurve relativ klein im Vergleich zu dessen Translationsenergie ist.

Bei der mathematischen Analyse des Systems wurde klar, daß es sich hier um ein System handelt, dessen Bewegungen gewisse Eigenschaften chaotischer Systeme aufweisen. Kleine Veränderungen von Anfangsbedingungen bewirkten größte Veränderungen des Bewegungsablaufs. Da die Anfangsbedingungen - Größe und Verteilung der Massen im Wagen, Anfangswinkel der Karosse nach dem Aufzie­ hen in die Startposition usw. - immer leicht variieren werden, verläuft jede Fahrt anders. Dies bedeutet für den Fahrgast, daß er keine zwei Fahrten gleich erleben wird. Für die Berechnung der Kräfte ergibt sich allerdings aus dieser Tatsache, daß viele Fahrten durchgerechnet werden mußten, da man nicht von vornherein wissen konnte, bei welchen Parametern und Anfangsbedingungen sich die höch­ sten Belastungen für Personen und Material ergeben.

Die Berechnungen haben ergeben, daß außer der Oberwagenexzentrizität dem Abstand des Oberwagenschwerpunktes von der Drehachse - auch die viskose bzw. coulombsche Reibung der Drehachse für den Bewegungablauf von größter Bedeutung ist. In einer Variation der Exzentrizität des Oberwagenschwerpunk­ tes und der Dämpfung (Bremsung) der Oberwagendrehbewegung wurde anhand einer gewählten Bewertungs- (bzw. Güte-) funktion die beste Kombination dieser Parameter ermittelt, die ein aufregendes Fahrgefühl ergibt, ohne den Gleichge­ wichtssinn bzw. den Magen der Fahrgäste zu überlasten.

Weiterhin hat die Analyse gezeigt, daß die Exzentrizität des Oberwagenschwer­ punkts und die Bremsung bzw. Dämpfung der Oberwagendrehbewegung inner­ halb gewisser Grenzen variieren können, ohne daß man sich dabei nennenswert von dem Punkt des optimalen Fahrgefühls entfernt. Als optimal im Sinne des Fahrgefühls kann wohl betrachtet werden, daß sich einerseits der Oberwagen deutlich gegenüber dem Unterwagen bewegt, um das Fahrgefühl gegenüber ei­ nem nichtdrehenden Fahrgeschäft aufregender zu machen. Andererseits sollte sich der Oberwagen nicht zu lange in eine Richtung drehen, damit es den Fahr­ gästen nicht übel wird. Die Festlegung eines Gütekriteriums für Fahrten ist na­ türlich subjektiv, da auch verschiedene Fahrgäste ein und die selbe Fahrt ganz unterschiedlich erleben würden.

Bei dem hier gewählten Gütekriterium wird der absolute Drehwinkel-Weg des Oberwagens gegenüber dem Unterwagen gewichtet aufaddiert. Eine Fahrt, bei der sich der Wagen fünfmal hintereinander jeweils eine Umdrehung nach links und dann wieder eine Umdrehung nach rechts dreht, wird mit der Gütezahl 1 be­ wertet, hat also die Gewichtung 1. "Schwimmt" der Oberwagen nur um eine Ru­ helage etwas hin und her, soll diese Bewegung schwächer bewertet werden - also mit einem Gewichtungsfaktor kleiner eins. Für Drehwinkel-Wege Dz in einer Richtung, die kleiner als eine Umdrehung sind, wird der Weg mit dem Faktor ϕ^1,5 geachtet. Für Wege größer als eine Umdrehung in eine Richtung bleibt die Gewichtung zunächst ungefähr konstant (≈ 1), und fällt dann langsam ab. Dre­ hungen von mehr als fünf Umdrehungen hintereinander in die gleiche Richtung wurden als negativ bewertet; eine große Anzahl von Drehungen hintereinander in die gleiche Richtung konvergiert die Gewichtung gegen -1.

Dieses Anforderungsprofil wird von folgender Gewichtungsfunktion erfüllt, wo­ bei ϕ in Umdrehungen gemessen wird (siehe Fig. 2a):

ω(Δϕ) = Δϕ^1,5

für Δϕ < = 1

für Δϕ < 1

Mit den n während einer Fahrt über die Bahnlänge s_xy auftretenden Drehinter­ vallen Δϕ_i, innerhalb denen die Drehrichtung konstant bleibt, ist die Gesamtgü­ tefunktion der Fahrt (siehe Fig. 2b):

In der Fig. 2a ist die Gewichtungsfunktion und in Fig. 2b die Veränderung der Gütefunktion ΔG für die Anzahl der Umdrehungen an einem Stück aufgetragen.

In den Fig. 3a bis 3d ist der Drehwinkel ϕ während einer Fahrt über die Bahnlänge Sxy aufgetragen und der zum Verlauf der Δϕ_i zugehörige Wert der Gesamtgütefunktion aufgetragen.

Am Beispiel bedeutet das, daß eine Fahrt, bei der sich fünfmal eine Drehung nach links mit einer nach rechts abwechselt, die Güte zehn erhält:

Kehren sich die Drehungen doppelt so oft um (bei gleicher durchschnittlicher Drehgeschwindigkeit), hat man also 10 Drehungen in beiden Richtungen, die jeweils nur eine halbe Umdrehung lang sind, ist die Güte nur 3.54.

Bei einer Drehung nach links, die fünf Umdrehungen lang ist, gefolgt von einer ebenso langen nach rechts (also wieder der gleichen mittleren Drehgeschwindig­ keit) wird die Güte 0.

Die Fig. 3a bis 3d zeigen Beispiele für gut und schlecht bewertete Winkelverläufe von ϕ. Der Winkel ϕ ist jeweils in vollen Umdrehungen angetragen, S_xy ist der in die horizontale Ebene projizierte Weg auf der Bahn. Beim günstigsten Verlauf wechseln sich kurze Drehstücke von 1,2 bis maximal vier Umdrehungen ab, beim schlechtesten wirken zwei lange Drehungen mit zehn bzw. zwölf Umdrehungen an einem Stück auf den Magen des Fahrgastes.

Fig. 4a und 4b zeigen den Drehungsverlauf einer repräsentativen Fahrt mit viskoser Dämpfung (ν = 50 Nms/rad = Bremsmoment in Abhängigkeit von der Drehgeschwindigkeit [rad/s]), 15 cm Exzentrizität des Oberwagenschwerpunkts und maximaler Beladung (je 150 kg vorne und hinten). In Fig. 4a sind die Lagen des Oberwagens im Raum (Längsachse des Oberwagens) in Zeitabständen von jeweils 0.1 s gezeigt. In Fig. 4b ist der Winkel z des Oberwagens gegenüber der Karosse in Umdrehungen über der in die horizontale Ebene projizierten Bahn­ länge S_xy gezeigt.

Claims (9)

1. Schienengebundenes Fahrzeug für ein Bahn-Fahrgeschäft mit einer Steigungen und Gefälle sowie Kurven unterschiedlicher Richtungen aufweisenden Fahrschiene, wobei das Fahrzeug einen drehbaren Oberwagen aufweist, der auf einer senkrechten Drehachse im Abstand zu seinem Schwerpunkt exzentrisch an dem Fahrzeug gelagert ist, so daß der Oberwagen während der Fahrt zu einer Bewegung um die Drehachse angeregt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Oberwagen und Unterwagen eine Dämpfungseinrichtung zur Dämpfung der Drehbeweglichkeit des Oberwagens vorgesehen ist.

2. Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungeinrichtung derart einstellbar ist, daß der Oberwagen bei vorgegebener Schienenführung und Fahrzeugbewegung auf eine vorgesehene max. Anzahl der Drehbewegungen in einer jeweiligen Drehrichtung begrenzt wird.

3. Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungseinrichtung eine Wirbelstrombremse umfaßt.

4. Fahrzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungseinrichtung eine Viskosedämpfung umfaßt.

5. Fahrzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungseinrichtung eine Coulomb-Reibungsdämpfung umfaßt.

6. Fahrzeug nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Fahrzeug Arretiermittel aufweist, mit denen der Oberwagen in einem bestimmten Winkel zum Fahrzeug fixierbar ist.

7. Fahrzeug nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Arretiermittel mindestens einen Arretierbolzen aufweisen.

8. Fahrzeug nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Arretierbolzen durch eine am Fahrzeug angeordnete Leitrolle feststellbar und lösbar ist.

9. Verfahren zum Betrieb eines Fahrzeugs nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Fahrzeug mit einem drehbaren Oberwagen, dessen Schwerpunkt exzentrisch zur Drehachse angeordnet ist, auf einem Gleis geführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Oberwagen in einem Bahnhofsbereich relativ zum Fahrzeug fixiert ist, die Fixierung des Ober­ wagens beim Verlassen des Bahnhofsbereichs gelöst wird, der Oberwagen sich während der Fahrt außerhalb des Bahnhofsbereichs frei dreht, und der Oberwagen vor Erreichen des Bahnhofsbereichs durch eine Neigung und ein Abbremsen des Fahrzeugs ausgerichtet und so fixiert wird, daß ein auf dem Oberwagen angeordneter Sitz rückwärts zur Fahrtrichtung ausgerichtet ist.