DE19820865A1

DE19820865A1 - Aktives Abstützsystem für schienengebundene Fahrzeuge

Info

Publication number: DE19820865A1
Application number: DE1998120865
Authority: DE
Inventors: Joachim Lueckel; Karl-Peter Jaeker
Original assignee: JAEKER KARL PETER
Current assignee: JAEKER KARL PETER
Priority date: 1998-05-09
Filing date: 1998-05-09
Publication date: 1999-11-18

Abstract

Es wird ein Fahrzeug-Abstützsystem vorgeschlagen, das zwischen einer Achse bzw. einem Drehgestell (4) und dem Wagenkasten (5) eines Zuges angeordnet ist. Das System enthält ein aktives Abstützsystem (1 bis 3) zu dem Zweck, eine weitgehende dynamische Entkopplung des Wagenkastens von der Achse bzw. dem Drehgestell (4) zu erreichen und damit den Fahrkomfort erheblich zu verbessern. Mit den für die aktive Federung installierten Aktoren und Sensoren ist darüber hinaus eine aktive Neigetechnik ohne zusätzliche Aktoren und Sensoren realisierbar.

Description

Anwendungsgebiet

Die Erfindung betrifft ein Abstützsystem entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Die Erfindung bezieht sich auf ein Abstützsystem (aktives Federungssystem), das die wesentlichen zwei Massen eines Bahnwaggons bzw. Triebkopfes (Wagenkasten und Drehgestell bzw. Achsen) verkoppelt und den Wagenkasten federt und dämpft. Solche Federungssysteme sind bekannt [1], [2], [3].

Nachteile des Standes der Technik

Bei diesen bekannten Abstützsystemen werden zusätzlich zur Luftfederung und zu aktiven pneumatischen Aktuatoren noch passive hydraulische Dämpfer eingesetzt, d. h. näherungsweise geschwindigkeitsproportionale Kräfte generiert; dies gilt auch für hydropneumatische Federbeine, die ebenfalls solche Kräfte erzeugen können. Die meist hydraulisch erzeugten Kräfte zur Dämpfung der Wagenkastenbewegung verschlechtern aber den Fahrkomfort im oberen Frequenzbereich beträchtlich gegenüber einer Federung ohne Dämpfer. Eine Verbesserung des Fahrkomforts ist somit nur im unteren Frequenzbereich bis zu Frequenzen von ca. 8 Hz realisierbar.

Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung (Bild 1) liegt die Aufgabe zugrunde, den Nachteil heutiger Abstützsysteme mit passiven Dämpfern zu vermeiden. Um den Fahrkomfort deutlich zu verbessern, wird bei der Erfindung auf passive Dämpfer bzw. passiv erzeugte Dämpferkräfte vollständig verzichtet, sowohl in vertikaler wie auch in beiden horizontalen Richtungen, so daß vom Drehgestell 4 auf den Wagenkasten 5 erheblich weniger Kräfte vor allem im oberen Frequenzbereich übertragen werden, d. h. der Wagenkasten 5 wird schwingungstechnisch weitgehend entkoppelt. Die notwendige Dämpfung und Führung des Wagenkastens wird über aktive Steller realisiert, d. h. mittels Aktoren 1 am Fußpunkt einer Luftfeder 3. Die Aktoren 1 erhalten von einer geeigneten Regelung die dazu notwendigen Ansteuersignale. Die Regelung erhält notwendige Informationen z. B. aus Messungen der Relativwege zwischen Wagenkasten und Drehgestellen bzw. Achsen. Weitere Messungen können herangezogen werden.

Lösung der Aufgabe

Die Aufgabe wird durch ein Abstützsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Vorteile der Erfindung

Die Erfindung (Bild 1) hat den Vorteil, den Fahrkomfort deutlich zu verbessern, da bei der Erfindung auf passive Dämpfer bzw. passiv erzeugte Dämpferkräfte vollständig verzichtet wird, sowohl in vertikaler wie auch in beiden horizontalen Richtungen, so daß vom Drehgestell 4 auf den Wagenkasten 5 erheblich weniger Kräfte vor allem im oberen Frequenzbereich übertragen werden, d. h. der Wagenkasten 5 wird schwingungstechnisch weitgehend entkoppelt. Die notwendige Dämpfung und Führung des Wagenkastens wird über aktive Steller realisiert, d. h. mittels Aktoren 1 am Fußpunkt einer Luftfeder 3. Die Aktoren 1 erhalten von einer geeigneten Regelung die dazu notwendigen Ansteuersignale. Die Regelung erhält notwendige Informationen z. B. aus Messungen der Relativwege zwischen Wagenkasten und Drehgestellen bzw. Achsen. Weitere Messungen können herangezogen werden.

Der zweite Vorteil der Erfindung liegt darin, daß ohne zusätzliche Aktoren eine aktive Neigetechnik realisiert werden kann, die zum einen verhindert, daß der Wagenkasten bei Kurvenfahrt sich aus der Schienenmitte bewegt, und zum anderen den Wagenkasten soweit neigt, so daß die auf die Insassen wirkende Querbeschleunigung kompensiert oder zumindest gemindert wird.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, daß mittels der Aktoren die Verschiebung der Luftfedern beim Durchfahren von Gleisbögen ausgeglichen werden kann. Dadurch können Drehgestelle besser enge Radien fahren.

Diese Aufgaben werden gemäß der Erfindung bei einem gattungsgemäßen Fahrzeug- Abstützsystem durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs gelöst.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung (Bild 1) dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Das Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von bisherigen aktiven und passiven Wagenkastenfederungen (sogenannten Sekundärfederungen) vor allem dadurch, daß keine passiven, in der Regel hydraulische, Schwingungsdämpfer verwendet werden und die notwendige Schwingungsdämpfung über eine aktive Verstellung der Fußpunkte 3 geeigneter Federelemente 2 und 3 (z. B. Luftfedern für Schienenfahrzeuge wie Gürtelrollbälge, Halbrollbälge etc.) mittels geeigneter Aktoren 1 (hier Hydraulikzylinder) realisiert wird. Zur aktiven Verstellung der Fußpunkte 3 werden die Bewegungen des Wagenkastens 5 relativ zu den Drehgestellen bzw. Radsätzen 4 gemessen, und über eine geeignete Regelung werden dann die Sollwege für die Aktoren 1 zur Fußpunktverstellung vorgegeben.

Zur Verbesserung der Regelung können weitere Meß- und Informationsgrößen herangezogen werden, wie z. B. Quer- und Längsbeschleunigungen, der Schienenverlauf etc.

Die Aktoren 1 je Federelement 1 und 2 sind so mit dem Fußpunkt (in der Regel der Kolben 3) verbunden, daß dieser nicht wegkippen bzw. sich wegdrehen kann. Die Federelemente müssen in drei Bewegungsrichtungen (quer, längs, vertikal) eine gewisse Steifigkeit aufweisen, damit der Wagenkasten 5 aktiv geführt und gedämpft werden kann.

Bei Ausfall der Regelung bzw. der Aktoren 1 gewährleisten die Federelemente 2 und 3 einen Notlaufbetrieb, der noch durch zuschaltbare Dämpfungselemente (in Bild 1 nicht eingezeichnet) verbessert werden kann.

Die Aktoren 1 des Ausführungsbeispiels können z. B. durch Hydraulikzylinder oder elektrische Linearantriebe realisiert werden. Die Aktoren in Längsrichtung können auch entfallen, da über den Antrieb der Wagenkasten in Längsrichtung aktiv gedämpft werden kann.

Das Abstützsystem kann nicht nur in der im Ausführungsbeispiel gezeichneten Kombination von Drehgestell 4 und Wagenkasten 5 realisiert werden, sondern z. B. auch in Kombination mit sogenannten Jacobs-Drehgestellen, Einzelachsen oder auch Losradsätzen.

Wirkungsweise

Da bei der Erfindung auf Dämpfer verzichtet wird, müssen erforderliche Dämpferkräfte über die Aktoren 1 erzeugt werden. Dämpferkräfte sind geschwindigkeitsabhängig (oft geschwindigkeitsproportional), d. h. über die Fußpunktverstellung des Federelementes 2 bis 3 müssen die Aktoren 1 von der Geschwindigkeit abhängige Kräfte stellen können. Übliche Dämpfer stellen geschwindigkeitsabhängige Kräfte bis zu Frequenzen von über 50 Hz, mit dem Nachteil, daß der Fahrkomfort und die akustische Entkopplung verschlechtert werden. Notwendig sind zur Dämpfung des Wagenkastens 5 aber nur Dämpferkräfte bis ca. 5. Hz. Dies wird z. B. durch entsprechende Filter oder andere Maßnahmen in der Regelung sichergestellt. Zur Erzeugung der notwendigen Dämpferkräfte werden die Aktoren 1 des Abstützsystems im Fahrbetrieb entsprechend einem Regelgesetz, das in einer Elektronik als Regeleinrichtung realisiert wird, beaufschlagt. Das Regelgesetz kann neben den notwendigen Dämpferkräften auch weitere für den Fahrbetrieb notwendige Kräfte generieren, z. B. solche, die zur Kompensation von Kräften bei Kurvenfahrt, bei Anfahr- und Bremsmanövern oder zur Neigung des Zuges bei Kurvenfahrt benötigt werden.

Für die Regelung werden als Rückführgrößen oder Aufschaltgrößen mehrere gemessene oder beobachtete Größen verwendet, die den Bewegungszustand von Achse bzw. Drehgestell 4 und Wagenkasten 5 oder Störungs- und Führungsgrößen kennzeichnen. Diese Größen sind z. B.:

- Relativwege und/oder Relativgeschwindigkeiten zwischen Achse/Drehgestell 4 und Wagenkasten 5
- Beschleunigungen von Achsen/Drehgestellen 4 und Wagenkasten 5
- Kräfte des Abstützsystems
- Drücke in den Aktoren 1
- Position und Geschwindigkeit des Zuges
- Längs-, Quer- und Vertikalbeschleunigung des Zuges

Durch die Verwendung eines aktiven Abstützsystems ergibt sich die Möglichkeit, innerhalb der bestehenden Systemgrenzen nahezu beliebige Kraftgesetze zwischen Achse/Drehgestell 4 und Wagenkasten 5 wirken zu lassen. Auf diese Weise wird die Wagenkastenmasse weitgehend dynamisch von den Achsen bzw. Drehgestellen 4 entkoppelt und demzufolge eine wesentlich stärker komfortorientierte Federung realisiert.

Bezugszeichenliste

1

Aktoren zur Fußpunktverstellung (hydraulisch, elektrisch oder pneumatisch realisierbar)

2

Luftfederbälge

3

Luftfederunterteile (Kolben); senkrechte Aktoren sind oben mit den Luftfederunterteilen fest verbunden; alle anderen Lagerstellen der Aktoren sind drehbar gelagert

4

Drehgestellrahmen bzw. Radsatzführung

5

Wagenkasten

Literatur

[1] Nagai, M.; Mori, H.; Nakadai, S.: Active Vibration Control of Electrodynamic Suspension System. JSME International Journal, Series c, Vol. 38, No. 1, 1995.
[2] Sinha, P. K.; Wormley, D. N.; Hedrick, J. K.: Rail Passanger Vehicle Lateral Dynamic Performance Improvement Through Active Control. ASME publication, 78-WA/DSC-14, September 1979
[3] Goodall; Roger: Active Railway Suspensions: Implementation State and Technological Trends. Vehicle System Dynamics, 28 (1997), pp. 87-117.

Claims

1. Fahrzeug-Abstützsystem, das zwischen einer Achse bzw. einem Drehgestell (4) und einem Wagenkasten (5) (oder zwei Wagenkästen beim sogenannten Jacobs-Drehgestell) angeordnet ist und das als aktives (voll- oder teilaktives) System ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß keine passiven Dämpfer (keine hydraulischen Dämpfer oder Reibungsdämpfer für die Sekundärfederung) verwendet werden, um den Wagenkasten (5) zu dämpfen.

2. Fahrzeug-Abstützsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die notwendigen Dämpfungs- und Führungskräfte für den Wagenkasten (5) durch Aktoren (1) am Fußpunkt einer Luftfeder (Kolben z. B. einer Rollbalg- oder Gürtelrollbalgfeder) gestellt werden.

3. Fahrzeug-Abstützsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von einer Regeleinrichtung Eingangssignale für die Aktoren (1) so generiert werden, daß geeignete Dämpfungs- und Führungskräfte für den Wagenkasten erzeugt werden.

4. Fahrzeug-Abstützsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Rückführgrößen für die Regelung die Relativwege oder die Relativgeschwindigkeiten zwischen Wagenkasten (5) und Achse bzw. Drehgestell (4) verwendet werden.

5. Fahrzeug-Abstützsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß als Rückführgrößen für die Regelung die Beschleunigungen von Wagenkasten (5) und Achse bzw. Drehgestell (4) verwendet werden.

6. Fahrzeug-Abstützsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Rückführgrößen für die Regelung die Kräfte der Aktoren (1) zwischen Wagenkasten (5) und Achse bzw. Drehgestell (4) verwendet werden.

7. Fahrzeug-Abstützsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Rückführ- bzw. Aufschaltgrößen für die Regelung die Längs-, Quer- und Vertikalbeschleunigungen des Zuges verwendet werden.

8. Fahrzeug-Abstützsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Rückführ- bzw. Aufschaltgrößen für die Regelung die Position und die Geschwindigkeit des Zuges verwendet werden.

9. Fahrzeug-Abstützsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Abstützsystem zur Kurvenneigung des Zuges genutzt werden kann.

10. Fahrzeug-Abstützsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Abstützsystem mittels der Aktoren die Verschiebung der Luftfedern beim Durchfahren von Gleisbögen ausgleichen kann.