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EP0374290A1 - Schienenfahrzeug - Google Patents

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Publication number
EP0374290A1
EP0374290A1 EP88121424A EP88121424A EP0374290A1 EP 0374290 A1 EP0374290 A1 EP 0374290A1 EP 88121424 A EP88121424 A EP 88121424A EP 88121424 A EP88121424 A EP 88121424A EP 0374290 A1 EP0374290 A1 EP 0374290A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
signal
rail
rail vehicle
steering
vehicle according
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
EP88121424A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP0374290B1 (de
Inventor
Heinrich Dipl.-Ing. Scheucken
Hans-Jochen Girod
Gerhard Korn
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Priority to AT88121424T priority Critical patent/ATE74846T1/de
Priority to DE8888121424T priority patent/DE3870247D1/de
Priority to EP88121424A priority patent/EP0374290B1/de
Publication of EP0374290A1 publication Critical patent/EP0374290A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0374290B1 publication Critical patent/EP0374290B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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 rail vehicle according to the preamble of claim 1.
  • Such a rail vehicle is e.g. known from DE-A1-35 38 513.
  • This known rail vehicle comprises individual wheels which are steered in pairs by tie rods.
  • the control criteria for the steering are derived from the leading wheels, either directly mechanically or by sensor amplification, to the wheel control mechanism of the wheel pairs to be steered (see in particular column 3, lines 4-15 of DE-A1-35 38 513).
  • the object of the present invention is to construct a rail vehicle of the type mentioned at the outset in such a way that each individual wheel can be steered without tracking errors in all corner regions.
  • the individual wheels 2-5 shown here are not mechanically directly connected to one another.
  • Each single wheel 2-5 can be steered with the aid of an actuator 8, 9, 10 or 11 assigned to it for straight signals g1, g2, g3, g4 and angle signals ⁇ , ⁇ , ⁇ , ⁇ which are to be supplied as a function of the respective actuator.
  • the respective individual wheel is arranged in the middle part of the longitudinal wheel rocker arm of the rail vehicle 1 in vertical slide or roller bearings, as is shown, for example, in DE-A1-35 38 513 in FIG. 8 or in the present patent application in FIGS. 11 and 12.
  • the body of the rail vehicle 1 is identified by the reference number 12.
  • the body 12 has the longitudinal axis 13 (longitudinal axis of symmetry of the body).
  • a rail course measuring device 14, 15, 16 and 17 is assigned to each individual wheel 2-5.
  • the rail course measuring devices 14 and 16 for the individual wheels 2 and 4 lie in the direction of travel indicated by arrow 18 in front of these individual wheels.
  • the rail course measuring devices 15 and 17, on the other hand, are located behind the individual wheels 3 and 5 of the rail vehicle 1 in this direction of travel.
  • Each of the rail course measuring devices 14-17 comprises a laser transmitter 19, 20, 21 or 22, the transmission beam 23, 24, 25 or 26 of which is directed onto the respective rail 6 or 7 and can be pivoted transversely thereto (for example by means of a rotating mirror polygon) is. It also includes a laser receiver 27, 28, 29 and 30, which detects the reference point reflector 31, 32, 33 and 34 from the respective rail 6 and 7 and from a reference point reflector also belonging to the rail profile measuring device 14, 15, 16 and 17 reflected laser beam of the laser transmitter receives. Finally, each rail profile measuring device 14-17 also includes blocks 35-38, which contain the evaluation electronics for the signals of the respective rail profile measuring device 14, 15, 16 and 17 respectively.
  • the signal outputs of the blocks 35-38 are with each other and with the actuators 8-11 of the individual wheels 2-5 of the rail vehicle 1 in the manner shown, directly or via OR gates 35a, 36a, 37a, 38a.
  • the circuit structure in the individual blocks 35-38 is essentially identical. Each block contains a steering signal generator 39, 40, 41 and 42 as well as logic switching elements 43, 44, 45 and 46, respectively. Only blocks 35 and 37 are additionally assigned a comparator 47 and 48, respectively.
  • the internal circuitry of the steering signal generators 39-42 is also essentially identical. For this reason, only the structure of the steering signal generator 39 is shown in more detail in FIG.
  • the steering signal generator 39 comprises, in addition to a transmission generator 60 for the laser transmitter (in the present case, the laser transmitter 19), a reception amplifier 61 for the laser receiver (in the present case, the laser receiver 27).
  • the reception amplifier 61 is followed by a signal generator 62 and an actual value determiner 63.
  • the signal generator 62 generates a reference point signal (main signal S h ) from the received laser beam reflected by the reference point reflector (in the present case the reference point reflector 31).
  • the actual value determiner 63 generates secondary signals S n1 and S n2 or S ' n1 and S' n2 from the laser beam reflected from the rail head surface outside the reference point reflector.
  • the two secondary signals S n1 and S n2 for driving straight ahead have the same foot width.
  • the secondary signals S ′ n1 and S ′ n2 occur, which have different foot widths that differ from the secondary signals S n1 and S n2 (see FIG. 10).
  • the output signals of the signal generator 62 and the actual value determiner 63 are fed to a comparison element 64.
  • the foot widths of the two secondary signals S n1 and S n2 or S ' n1 and S' n2 are compared and differentiated union foot widths (only in the case of the secondary signals S ' n1 and S' n2 the case) at the output of the comparator 64 generates a signal ⁇ x1 corresponding to the change in the foot widths.
  • This signal ⁇ x1 is supplied on the one hand to a first threshold discriminator 65 and on the other hand to a second threshold discriminator 66.
  • the two threshold discriminators 65 and 66 are set to a predetermined threshold for the signal ⁇ x1. If the signal ⁇ x1 is below this threshold, it can pass the threshold discriminator 66 as the output signal ⁇ x2. However, if the signal ⁇ x1 is above the threshold, it passes the threshold discriminator 65 as signal x3.
  • a counter-regulator 67 is connected downstream of the threshold discriminator 66 and, depending on the resulting output signals ⁇ x2, generates an opposite straight-line signal g1 depending on their polarity.
  • This straight line signal g1 and the straight line signals g2, g3, g4 emitted by the further steering signal generators 40, 41, 42 keep the individual wheels 2-5 of the rail vehicle 1 on a straight line. In this way, deviations in the course of the rail and fluctuations in the car body relative to one another are compensated for.
  • the output signal ⁇ x3 of the threshold discriminator 65 is fed to a computer 68.
  • the computer 68 receives further signals, namely a length signal l c or L from a read-only memory 69 or 70.
  • the length signal l c corresponds to the distance of the respective measuring plane of the rail profile measuring device from the associated single wheel (see, for example, also FIG. 6).
  • the length signal L is the distance between the leading and trailing wheel pairs (see, for example, also FIG 4).
  • the computer 68 is supplied with a length signal l y, which gradually increases when cornering, when an angle stepper 72 is used.
  • it also receives a correspondingly gradually increasing length signal S via lines 73, 74 and an angle signal ⁇ .
  • the length signal S originates from the angle step generator corresponding to the angle step generator 72 in the steering signal generator 40 for the trailing single wheel 3.
  • the angle signal ⁇ is the output signal of the steering signal generator 40.
  • the output signal .DELTA.x3 of the threshold discriminator 65 is also fed via a line 75, 76 to the measuring start input 77 of the angle step generator 72 for the measuring section.
  • the start of the measurement for the test section is triggered when an output signal ⁇ x3 occurs for the first time.
  • the measurement of the distance l y begins.
  • the corresponding angle stepper in the steering signal generator 40 of the subsequent single wheel 3 for measuring a distance is started by the length signal S via line 75, 78.
  • the meaning of the lines corresponding to the length signals l y and S is also explained further below with reference to FIGS. 4 and 5.
  • the angular step encoder 72 also receives the length signal l c from the read-only memory 69 via the line 79 in the direction of travel 18 shown.
  • the angle stepper 72 receives a signal from the comparison element 47 via a line 80, namely when the angle signal ⁇ supplied to the comparison element 47 corresponds to the angle signal ⁇ of the steering signal generator 40 of the trailing single wheel 3.
  • the lines 81 and 82 couple signals ⁇ x3 'and S' from the steering signal generator 40 to the steering signal generator 39 or vice versa when the direction of travel of the rail vehicle 1 is reversed.
  • the output signal ⁇ x3 'then corresponds to the output signal ⁇ x3 when the direction is reversed, while the length signal S' also corresponds to the length signal S when the direction is reversed.
  • FIG. 3 shows the computer 68 in more detailed form. It therefore includes arithmetic terms 90,91,92,93,94,95 and 96. Furthermore, it contains two comparison terms 97 and 98.
  • the first computing element 90 calculates a radius of curvature R1 of the rails as a function of the signals ⁇ x3 and l y according to the following equation:
  • the second computing element 91 also calculates a radius R2 from the signals l c and ⁇ x3 according to the formula:
  • the arithmetic element 92 generates an angle signal ⁇ 'from the length signal l y and the output signal ⁇ x3 via the relationship
  • the arithmetic element 93 and the arithmetic element 94 also generate angle correction signals ⁇ 01 and ⁇ 02 for the purpose of correcting the angle signal ⁇ 'emitted by the arithmetic element 92.
  • the arithmetic element 93 calculates the angle correction signal ⁇ 01 via the relationship
  • the computing element 93 receives the radius signal R from the output of the comparing element 98 of the computing elements 90 and 91.
  • the computing element 94 generates its angle correction signal ⁇ 02 via the relationship
  • the two arithmetic elements 93 and 94 are activated as a function of the output signal of the comparator 97.
  • the signals ⁇ ′, ⁇ 01 and ⁇ 02 determined in this way are processed in the computing element 96 in such a way that an angle signal ⁇ results at the output thereof according to the following condition:
  • This angle signal ⁇ is the setting angle signal for the steering of the individual wheels 2 and 3.
  • the diagram in FIG. 4 shows the beginning of the curve phase, which is detected by the leading rail course measuring devices of the leading individual wheels 2 and 4. 4 shows only the course of the rail 6 and the leading single wheel 2.
  • the following explanations apply analogously to the rail 7 and the leading individual wheel 4.
  • the single wheel 2 and thus also its measuring plane MI defined by the wheel contact point is on the straight line and the measuring plane MII defined by the rail course measuring device is at the beginning of the curve (zero point).
  • the leading rail course measuring device of the single wheel 2 already detects the start of the curve in its measuring plane MII when the single wheel 2 is still on the straight line.
  • the radius signal R corresponding to the curve radius is determined while the single wheel 2 is traveling straight ahead.
  • the angle of the chord between the wheel contact point and the measuring plane MII is determined and given as the setting angle ⁇ to the actuator 8 of the leading single wheel 2.
  • the setting angle ⁇ is also fed to the actuator 3 of the trailing single wheel 3 in the opposite sense.
  • FIG. 5 shows the trailing single wheel 3.
  • L is the output signal corresponding to the distance between the wheel contact points of the individual wheels 2 and 3.
  • the length signal S occurring during the entry of the leading single wheel 2 into the curve is the y coordinate of the curve point; the signal a is its x coordinate. Both the length signal S and the signal a are determined from the measurements on the trailing single wheel 3. The determination of the signals S and a, which continuously increase when entering a curve, begins with the occurrence of an angle signal ⁇ on the trailing single wheel 3.
  • FIGS. 6-8 each show various sectional representations of the rail vehicle 1 in the area of its front wheel arches 151, 152.
  • 6 shows a side view of the left front single wheel 4, which is rotatably mounted in a longitudinal wheel rocker arm, not shown here, installed in the wheel housing 151.
  • the laser transmitter 21 and the laser receiver 29 are arranged in front of the wheel contact point P4 of the individual wheel 4 on the rail 7 at a fixed distance l c .
  • the reference point reflector 33 is located in the beam path of the laser beam 25 emitted by the laser transmitter 21 and reflected by the rail head surface.
  • a mirror polygon, not shown here, rotating at right angles to the longitudinal axis 13 of the rail vehicle 1 leads to an intermittent laser beam 25, the measuring interval frequency of which is determined by the speed of the reflecting mirror polygon is determined.
  • a 12-mirror polygon which has a speed of 3600 / min, for example, a measuring interval frequency of 0.72 laser beam passes / msec arises, which is a time expenditure per laser beam of 1.39 msec and with an evaluation computer time of 1.6 msec a ⁇ x3- Determination of 3 msec corresponds.
  • position surveys including evaluation are carried out at intervals of 15 to 80 mm, ie every 1.5 to 8 cm, it is checked whether the single wheel is on a straight line or in a curve.
  • the mirror rotor creates over it
  • an overpressure of clean air in an advantageous manner on the rail profile measuring devices, so that contaminants are kept away.
  • the clean air can be extracted from the inside of the car or from the wind through filters.
  • the measuring plane MI is determined in each case by the wheel contact point P2 of the individual wheel 2 or by the wheel contact point P4 of the individual wheel 4 and by the reflection point of the transmission beam 23 or 25, which are not visible in FIG. 7 (see FIG. 6), the Measuring level MII determined.
  • the distance between the two measuring planes MI and MII thus corresponds to the distance l c .
  • FIG. 8 shows a front view of the detail of the rail vehicle 1 shown in FIG. 7.
  • the direction of travel 18 shows here from the paper plane. Therefore, only the laser transmitters 19 and 21 lying in front of the laser receivers 27 and 29 are visible.
  • Both the laser beam 23 emitted by the laser transmitter 19 and the laser beam 25 emitted by the laser transmitter 21 rotate perpendicular to the longitudinal axis 13 of the rail vehicle 1, so that both laser beams 23 and 25 move in the plane of the drawing in the illustration selected in FIG.
  • the reference point reflectors 31 and 33 are arranged in the beam path and held in the wheel housing 151 and 152, respectively. The rotation of the laser beam 23 or 25 described above detects the course of the rail 6 or 7 in question for each individual wheel 2 or 4.
  • This sensory detection of the rail profile takes place at a distance l c in front of the respective edge contact point P2 or P4 of the respective individual wheel 2 or 4.
  • the deviation of the rail course by an amount .DELTA.x3 from the straight line course of the rails 6 and 7 is denoted by 6ri and 7ri or 6le and 7le.
  • the beam path of the laser beam 23 shown in FIG. 9 also applies analogously to the laser beams 24-26 of the laser transmitters 20-22 assigned to the individual wheels 3-5.
  • the rotating laser beam 23 is emitted by the laser transmitter 19 and reflected both by the reference point reflector 31 and by the rail 6 (straight line) or 6le (left curve) or 6ri (right curve).
  • the laser transmitter 19 and the laser receiver 27 are arranged at a distance l c in front of the wheel contact point P2 (viewed in the direction of travel 18), the course of the rail is determined before the individual wheel is reached.
  • the reference point reflector 31 is designed as a narrow web, the width of which is smaller than the width of the rail head surface, the differentiation of the transmitted beam reflected on the rail head surface described in FIG. 10 can also be provided.
  • the differentiation of the reflected laser beams 23-26 is possible. This differentiation will be explained in FIG. 10 using the example of the laser beam 23 emitted by the laser transmitter.
  • the rotating laser beam 23 in turn moves in the plane of the drawing.
  • the reflected transmission beams are not shown for a better overview.
  • the differentiation takes place in that the reflected laser beam 23 is broken down into a main signal S h and two secondary signals S n1 and S n2 .
  • the main signal S h results from the reflection at the reference point reflector 31, the secondary signals S n1 and S n2 are obtained by the reflection of the laser beam 23 on the surface of the rail head to the right and left of the reference point reflector 31.
  • the reference point reflector 31 With the rail 6 in a straight line, the reference point reflector 31 is in the center arranged to the rail head surface and the two secondary signals S n1 and S n2 have the same signal widths (symmetry of the reference point reflector 31).
  • the signal form shown above the laser transmitter 19 is thus obtained on a monitor.
  • the rail profile measuring device for individual wheels shown in FIGS. 11 and 12 differs from the rail profile measuring device described in FIGS. 1-10 in that a laser transmitter and a laser receiver are arranged not only in front of the first or behind the last individual wheel, but also that a laser transmitter and a laser receiver are arranged both in front of and behind each individual wheel.
  • the laser transmitters 19 and 20 and the laser receivers 27 and 28 are fastened in a swivel lever 153 which can be swiveled horizontally in the upper direction about a swivel pin 154 which coincides with the vertical through the pivot point of the single wheel 2 side of the wheel guide longitudinal rocker 155 is mounted and firmly connected to the wheel carrier.
  • the rail axis again lies in the y-axis when driving straight ahead, so that there is again a ⁇ x3 value for the deviation from the linear rail profile.
  • the relationship ⁇ arctan ( ⁇ x3 / l c ) results for the setting angle.
  • the setting angle is determined here by the measurement plane MII lying forward in the direction of travel 18.
  • both the front and rear ⁇ x3 values are dependent on the direction of the rail curve, ie the front ⁇ x3 value is negative on a right-hand curve and the front ⁇ x3 value is positive on a left-hand curve; the rear ⁇ x3 value occurs with the opposite sign.
  • the rear measuring plane MIII At the start of the control, there is a ⁇ x3 value in the rear measuring plane MIII, which corresponds to the setting angle of the respective control position.
  • the rear ⁇ x3 value matches the front ⁇ x3 value, the correction of the steering lock is finished and the adjustment angle ⁇ remains as long hold until the front measuring plane MII determines a different ⁇ x3 value than the rear measuring plane MIII. If the front ⁇ x3 value becomes smaller than the rear ⁇ x3 value, the radius of the rail arch increases. With a front ⁇ x3 value equal to zero, a straight track section begins again. If a change of sign occurs at the front ⁇ x3 value during the control process, the rail vehicle 1 runs into an S curve.
  • FIGS. 13-15 A further embodiment of a rail profile measuring device is shown in FIGS. 13-15. With this rail profile measuring device, the rail profile is also recorded without contact. It differs from the rail profile measuring devices described in FIG. 1-12 in that the rail profile is not recorded on an opto-electronic basis, but on a magnetic or electromagnetic basis. 13 and 15 respectively show a rail vehicle 1 in the area of its left front wheel housing 152, in which the left front single wheel 4 is rotatably mounted in a manner not shown here. In relation to the direction of travel 18, a magnetic direction indicator 200 is arranged in front of the wheel contact point P4 of the individual wheel 4 on the rail 7.
  • the magnetic direction indicator 200 consists of a magnetic carrier 201 which can be rotated horizontally about an axis of rotation 202 arranged vertically at a distance l c .
  • the magnetic carrier 201 is roller-mounted in a splash-proof and impact-resistant housing 210 and can additionally be pivoted laterally about a pivot point 203.
  • the housing 210 including the magnetic carrier 201 is expediently designed as a telescopic pendulum 211.
  • an upward translation is provided between the magnet carrier 201 and the angular step encoder 207.
  • the magnet carrier 201 of the magnetic direction indicator 200 has at least one direction magnet 204, 205.
  • the two directional magnets are arranged at a distance b symmetrically on both sides of the axis of rotation. Between the two directions magnets 204 and 205 a pendulum magnet 206 is arranged centrally to these, which is fixedly connected to the housing 210.
  • the embodiment of the magnetic direction indicator shown in FIG. 15 differs in that only one directional magnet 204 is provided instead of two directional magnets. This directional magnet 204 lies in the direction of travel 18 in front of the axis of rotation 202.
  • the magnetic direction indicator 200 swings out laterally in the cornering position and can thus automatically follow the maximum of the magnetic field between the directional magnets 204 and 205 and the rail 7.
  • FIG. 14 the automatic pivoting away of the telescopic pendulum 211 (dashed lines) is shown using the example of a left curve on the rail 7. Due to the magnetic field generated by the directional magnets 204 and 205 as well as by the pendulum magnets 206, the magnetic direction indicator 200 and thus the angle stepper 207 adjust themselves according to the course of the rail 7. The angle signals .alpha.
  • the pendulum magnet 206 which is fixedly connected to the housing 210, supports the pivoting movement (FIG. 14) caused by the directional magnets 204 and 205 when passing through a curve. In addition, the pendulum magnet 206 stabilizes the vertical position of the telescopic pendulum 211 when driving straight ahead.
  • the housing 210 of the magnetic carrier can optionally be filled with liquid. The distance of the magnetic carrier 201 from the top of the rail head depends on the wear of the respective individual wheel; it must therefore be readjusted manually at larger intervals. In the case of externally excited directional magnets (electromagnetic sensor device), this point in time is indicated by the increase in the excitation current consumption.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Control Of Position, Course, Altitude, Or Attitude Of Moving Bodies (AREA)
  • Steering-Linkage Mechanisms And Four-Wheel Steering (AREA)
  • Length Measuring Devices With Unspecified Measuring Means (AREA)
  • Machines For Laying And Maintaining Railways (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Schienenfahrzeug, das entlang der Fahrzeuglängsachse beidseitig eine vorgebbare Zahl von Einzelrädern umfaßt, die durch Lenkung schwenkbar sind. Eine spurfehlerfreie Lenkung jedes Einzelrades in allen Kurvenbereichen wird dadurch erreicht, daß eine Schienenverlauf-Meßeinrichtung (14-17) vorgesehen ist, die die Abweichung einer Fahrzeugachse (13) vom Verlauf der Schienen (6,7) mißt und die abhängig von gemessenen Abweichungen ein Lenksignal (g1-g4) für jedes Einzelrad (2-5) unabhängig vom jeweils anderen erzeugt.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Schienenfahrzeug gemäß Ober­begriff des Anspruchs 1.
  • Ein derartiges Schienenfahrzeug ist z.B. durch die DE-A1-35 38 513 bekannt.
  • Dieses bekannte Schienenfahrzeug umfaßt Einzelräder, die paar­weise durch Spurstangen gelenkt werden. Die Steuerkriterien für die Lenkung werden von den vorlaufenden Rädern abgeleitet und zwar entweder direkt mechanisch oder durch Sensorverstärkung auf den Radsteuermechanismus der jeweils zu lenkenden Radpaare übertragen (siehe dazu insbesondere Spalte 3, Zeilen 4-15 der DE-A1-35 38 513).
  • Diese Ausführungsform ist noch nicht optimal. Die paarweise miteinander über Spurstangen verbundenen Einzelräder unter­liegen Spurfehlern, die auch mit bekannten Korrekturmaßnahmen nicht hinreichend für alle Radien der Schienenkurve beseitigt werden können.
  • Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, ein Schienenfahrzeug der eingangs genannten Art dahingehend aufzubauen, daß in allen Kurvenbereichen jedes Einzelrad spurfehlerfrei lenkbar ist.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
  • Durch den erfindungsgemäßen Übergang von Spurstangensteuerung zu Einzelradlenkung wird jetzt jedes Einzelradpaar in jeder beliebigen Kurvenlage immer korrekt so gelenkt, daß Spurfehler nicht mehr auftreten können. 2
  • Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung und in Verbindung mit den Unteransprüchen.
  • Es zeigen:
    • FIG 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung im Prinzip­schaltbild auf opto-elektronischer Basis;
    • FIG 2 eine Detaildarstellung des Lenksignalerzeugers der Schienenverlauf-Meßeinrichtung der FIG 1;
    • FIG 3 den Rechner des Lenksignalerzeugers der FIG 2;
    • FIG 4 ein X-Y-Diagramm der Schiene mit einem vorlaufenden Einzelrad;
    • FIG 5 ein X-Y-Diagramm der Schiene mit einem vor- und einem nachlaufenden Einzelrad;
    • FIG 6 eine Seitenansicht des erfindungsgemäßen Schienen­fahrzeugs im Bereich des linken vorderen Radkastens;
    • FIG 7 eine Draufsicht auf das Schienenfahrzeug gemäß FIG 6 im Bereich der vorderen Einzelräder;
    • FIG 8 eine Vorderansicht auf das Schienenfahrzeug gemäß FIG 6;
    • FIG 9 der Strahlengang eines Laserstrahls;
    • FIG 10 die Differenzierung eines reflektierten Laserstrahls;
    • FIG 11 eine Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen opto-elektronischen Sensoreinrichtung;
    • FIG 12 eine Draufsicht auf die Sensoreinrichtung gemäß FIG 11;
    • FIG 13 eine Seitenansicht eines Einzelrades mit einer elektro­magnetischen Sensoreinrichtung;
    • FIG 14 eine Vorderansicht der Sensoreinrichtung gemäß FIG 13;
    • FIG 15 eine Seitenansicht eines Einzelrades mit einer zweiten Ausführungsform einer elektromagnetischen Sensorein­richtung.
  • In der FIG 1 fährt ein Schienenfahrzeug 1 mit z.B. vier Einzel­rädern 2,3,4 und 5 auf einem Gleis mit den beiden Schienen 6 und 7. Die hier dargestellten Einzelräder 2-5 sind unterein­ander mechanisch nicht direkt verbunden. Jedes Einzelrad 2-5 ist mit Hilfe eines ihm zugeordneten Stellgliedes 8,9,10 bzw.11 für sich in Abhängigkeit von dem jeweiligen Stellglied zuzu­führenden Geradeaussignalen g1,g2,g3,g4 und Winkelsignalen α, β, γ, δ, lenkbar. Dazu ist das jeweilige Einzelrad im Mittel­teil der Radführungslängsschwinge des Schienenfahrzeugs 1 in vertikalen Gleit- oder Wälzlagern angeordnet, wie es z.B. in der DE-A1-35 38 513 in der FIG 8 bzw. in vorliegender Patent­anmeldung in den FIG 11 und 12 dargestellt ist. Der Wagenkasten des Schienenfahrzeugs 1 ist mit der Kennziffer 12 bezeichnet. Der Wagenkasten 12 besitzt die Längsachse 13 (Symmetrielängs­achse des Wagenkastens).
  • Jedem Einzelrad 2-5 ist eine Schienenverlauf-Meßeinrichtung 14, 15,16 bzw.17 zugeordnet. Die Schienenverlauf-Meßeinrichtungen 14 und 16 für die Einzelräder 2 und 4 liegen in der durch Pfeil 18 angedeuteten Fahrtrichtung vor diesen Einzelrädern. Die Schienenverlauf-Meßeinrichtungen 15 und 17 liegen hingegen in dieser Fahrtrichtung hinter den Einzelrädern 3 und 5 des Schienenfahrzeugs 1. Bei Fahrtrichtungsumkehr ist es entspre­chend umgekehrt.
  • Jede der Schienenverlauf-Meßeinrichtungen 14-17 umfaßt einen Lasersender 19,20,21 bzw.22, dessen Sendestrahl 23,24,25 bzw.26 auf die jeweilige Schiene 6 bzw.7 gerichtet und quer zu dieser (z.B. mittels rotierendem Spiegelpolygon) schwenkbar ist. Sie beinhaltet ferner einen Laserempfänger 27,28,29 bzw.30, der den von der jeweiligen Schiene 6 bzw.7 sowie von einem ebenfalls zur Schienenverlauf-Meßeinrichtung 14,15,16 bzw.17 gehörenden Bezugspunktreflektor 31,32,33 bzw.34 reflektierten Laserstrahl des Lasersenders empfängt. Schließlich umfaßt jede Schienen­verlauf-Meßeinrichtung 14-17 auch noch Blöcke 35-38, die die Auswerteelektronik für die Signale der jeweiligen Schienenver­lauf-Meßeinrichtung 14,15,16 bzw.17 beinhaltet. Die Signalaus­gänge der Blöcke 35-38 sind untereinander sowie mit den Stellgliedern 8-11 der Einzelräder 2-5 des Schienenfahrzeugs 1 in der dargestellten Weise direkt oder über ODER-Glieder 35a, 36a,37a,38a verbunden. Der Schaltungsaufbau in den einzelnen Blöcken 35-38 ist im wesentlichen identisch. Jeder Block ent­hält einen Lenksignalerzeuger 39,40, 41 bzw.42 sowie logische Schaltglieder 43,44,45 bzw.46. Lediglich den Blöcken 35 und 37 sind zusätzlich noch je ein Vergleichsglied 47 bzw.48 zuge­ordnet.
  • Auch der innere Schaltungsaufbau der Lenksignalerzeuger 39-42 ist im wesentlichen identisch. Aus diesem Grund ist in der FIG 2 lediglich der Aufbau des Lenksignalerzeugers 39 detail­lierter dargestellt.
  • Der Lenksignalerzeuger 39 gemäß der FIG 2 umfaßt neben einem Sendegenerator 60 für den Lasersender (im vorliegenden Fall den Lasersender 19) einen Empfangsverstärker 61 für den Laser­empfänger (im vorliegenden Fall den Laserempfänger 27). Dem Empfangsverstärker 61 ist ein Signalerzeuger 62 und ein Ist­wertermittler 63 nachgeschaltet. Der Signalerzeuger 62 erzeugt dabei ein Bezugspunktsignal (Hauptsignal Sh) aus dem empfange­nen, vom Bezugspunktreflektor (im vorliegenden Fall der Bezugs­punktreflektor 31) reflektierten Laserstrahl. Der Istwert­ermittler 63 erzeugt Nebensignale Sn1 und Sn2 bzw.S′n1 und S′n2 aus dem außerhalb des Bezugspunktreflektors von der Schienen­kopfoberfläche reflektierten Laserstrahl. Die beiden Neben­signale Sn1 und Sn2 für die Geradeausfahrt weisen die gleiche Fußbreite auf. Wenn die Schiene von der Geraden in die Kurve einschwenkt, treten die Nebensignale S′n1 und S′n2 auf, die von den Nebensignalen Sn1 und Sn2 abweichende, zueinander unter­schiedliche Fußbreiten aufweisen (siehe FIG 10). Die Ausgangs­signale des Signalerzeugers 62 sowie des Istwertermittlers 63 werden einem Vergleichsglied 64 zugeleitet. In diesem Ver­gleichsglied 64 werden die Fußbreiten der beiden Nebensignale Sn1 und Sn2 bzw.S′n1 und S′n2 verglichen und bei unterschied­ lichen Fußbreiten (nur bei den Nebensignalen S′n1 und S′n2 der Fall) am Ausgang des Vergleichsgliedes 64 ein der Änderung der Fußbreiten entsprechendes Signal Δ x1 erzeugt.
  • Dieses Signal Δ x1 wird einerseits einem ersten Schwellendiskri­minator 65 und andererseits einem zweiten Schwellendiskriminator 66 zugeführt. Die beiden Schwellendiskriminatoren 65 und 66 sind auf eine vorgegebene Schwelle für das anfallende Signal Δ x1 eingestellt. Liegt das Signal Δ x1 unterhalb dieser Schwelle, so kann es den Schwellendiskriminator 66 als Ausgangssignal Δ x2 passieren. Liegt das Signal Δ x1 hingegen über der Schwelle, so passiert es als Signal x3 den Schwellendiskriminator 65.
  • Dem Schwellendiskriminator 66 ist ein Gegenregler 67 nachge­schaltet, der in Abhängigkeit von den anfallenden Ausgangs­signalen Δ x2 je nach deren Polarität ein gegensinniges Gerade­aussignal g1 erzeugt. Dieses Geradeaussignal g1 sowie die von den weiteren Lenksignalerzeugern 40,41,42 abgegebenen Gerade­aussignale g2,g3,g4 halten die Einzelräder 2-5 des Schienen­fahrzeugs 1 auf Geradeausfahrt. Es werden auf diese Weise Ab­weichungen des Schienenverlaufs und Schwankungen des Wagen­kastens relativ zueinander ausgeglichen.
  • Das Ausgangssignal Δ x3 des Schwellendiskriminators 65 wird hingegen einem Rechner 68 zugeleitet. Der Rechner 68 empfängt weitere Signale, nämlich je ein Längensignal lc bzw. L von einem Festwertspeicher 69 bzw. 70. Das Längensignal lc ent­spricht dem Abstand der jeweiligen Meßebene der Schienenver­lauf-Meßeinrichtung vom zugehörigen Einzelrad (siehe z.B. auch FIG 6). Das Längensignal L ist der Abstand zwischen den vor- und nachlaufenden Radpaaren (siehe z.B. auch FIG 4). Ferner wird dem Rechner 68 von einem Winkelschrittgeber 72 ein sich bei Kurvenanfahrt schrittweise vergrößerndes Längensignal ly zugeführt. Schließlich erhält er auch noch über Leitungen 73,74 ein sich entsprechend schrittweise vergrößerndes Längensignal S sowie ein Winkelsignal β. Das Längensignal S stammt von dem dem Winkelschrittgeber 72 entsprechenden Winkelschrittgeber im Lenksignalerzeuger 40 für das nachlaufende Einzelrad 3. Das Winkelsignal β ist das Ausgangssignal des Lenksignalerzeugers 40.
  • Das Ausgangssignal Δ x3 des Schwellendiskriminators 65 wird auch noch über eine Leitung 75,76 auf den Meßstarteingang 77 des Winkelschrittgebers 72 für die Meßstrecke gegeben. Die Auslösung des Meßstartes für die Meßstrecke geschieht mit dem erstmaligen Auftreten eines Ausgangssignals Δ x3. Mit dem Auftreten eines solchen Signals beginnt die Messung der Strecke ly. Gleichzeitig wird über die Leitung 75,78 der entsprechende Winkelschrittgeber im Lenksignalerzeuger 40 des nachfolgenden Einzelrades 3 zur Messung einer Strecke wiedergegeben durch das Längensignal S gestartet. Die Bedeutung der den Längensignalen ly bzw. S entsprechenden Strecken wird auch noch weiter unten anhand der FIG 4 bzw.5 erläutert.
  • Der Winkelschrittgeber 72 empfängt über die Leitung 79 in der dargestellten Fahrtrichtung 18 auch noch vom Festwertspeicher 69 das Längensignal lc. Bei Betrieb in umgekehrter Fahrtrich­tung erhält der Winkelschrittgeber 72 hingegen über eine Leitung 80 ein Signal vom Vergleichsglied 47, nämlich dann, wenn das dem Vergleichsglied 47 zugeführte Winkelsignal α dem Winkelsignal β des Lenksignalerzeugers 40 des nachlaufenden Einzelrades 3 entspricht.
  • Die Leitungen 81 bzw.82 koppeln Signale Δ x3′ bzw. S′ vom Lenksignalerzeuger 40 zum Lenksignalerzeuger 39 bzw. umgekehrt über, wenn sich die Fahrtrichtung des Schienenfahrzeugs 1 umkehrt. Das Ausgangssignal Δ x3′ entspricht dann dem Ausgangs­signal Δ x3 bei Richtungsumkehr, während das Längensignal S′ dem Längensignal S ebenfalls bei Richtungsumkehr entspricht.
  • Die FIG 3 zeigt den Rechner 68 in detaillierterer Form. Er umfaßt also Rechenglieder 90,91,92,93,94,95 und 96. Ferner beinhaltet er zwei Vergleichsglieder 97 und 98.
  • Das erste Rechenglied 90 rechnet dabei einen Krümmungsradius R1 der Schienen in Abhängigkeit von den Signalen Δ x3 und ly gemäß der folgenden Gleichung:
    Figure imgb0001
  • Das zweite Rechenglied 91 berechnet ebenfalls einen Radius R2 aus den Signalen lc und Δ x3 gemäß der Formel:
    Figure imgb0002
  • Die beiden den Radien R1 und R2 entsprechenden Ausgangssignale werden dem Vergleichsglied 98 zugeführt. Sind beide Ausgangs­signale gleich, dann wird vom Vergleichsglied ein Radiussignal R = R1 = R2 für den Radius erzeugt. Dieses Radiussignal R wird in der dargestellten Weise einerseits dem Rechenglied 93 und andererseits dem Rechenglied 96 zugeführt. Ist R1 < R2 wird ein entsprechendes Signal lediglich dem Rechenglied 96 zugeleitet.
  • Das Rechenglied 92 erzeugt aus dem Längensignal ly und dem Ausgangssignal Δ x3 ein Winkelsignal α′ über die Beziehung
    Figure imgb0003
  • Das Rechenglied 93 und das Rechenglied 94 erzeugen ebenfalls Winkelkorrektursignale α₀₁ und α₀₂ zum Zwecke einer Korrektur des vom Rechenglied 92 abgegebenen Winkelsignals α′.
  • Das Rechenglied 93 berechnet dabei das Winkelkorrektursignal α₀₁ über die Beziehung
    Figure imgb0004
  • Das Rechenglied 93 empfängt dabei das Radiussignal R vom Aus­gang des Vergleichsgliedes 98 der Rechenglieder 90 und 91.
  • Das Rechenglied 94 erzeugt sein Winkelkorrektursignal α₀₂ über die Beziehung
    Figure imgb0005
  • Die Aktivierung der beiden Rechenglieder 93 und 94 erfolgt in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des Vergleichsgliedes 97. Dieses Vergleichsglied 97 vergleicht das anfallende Längen­signal ly mit dem Längensignal lc. Ist ly = lc, so wird über die Leitung 99 kurzzeitig das Rechenglied 93 zur Berechnung des Winkelkorrektursignals α₀₁ aktiviert. Anschließend wird über die Leitung 100 das Rechenglied 94 bei gleichzeitiger Deakti­vierung des Rechengliedes 93 aktiviert. Ferner wird die ly-Messung am Winkelschrittgeber 72 (wie zuvor schon ange­deutet) gestoppt.
  • Das Rechenglied 94 erhält neben der Längensignal S auch noch ein Signal a, das sich aus dem Winkelsignal β sowie dem Längen­signal L wie folgt ergibt:
    a = L tanβ cosβ
  • Die so ermittelten Signale α′, α₀₁ bzw. α₀₂ werden im Rechenglied 96 so verarbeitet, daß sich an dessen Ausgang ein Winkelsignal α nach der folgenden Bedingung ergibt:
    Figure imgb0006
  • Dieses Winkelsignal α ist das Stellwinkelsignal für die Lenkung der Einzelräder 2 und 3.
  • Entsprechendes gilt für die in den Rechnern der in den anderen Lenksignalerzeugern erzeugten Winkelsignale β, γ und δ.
  • Die beschriebenen Rechenvorgänge werden anhand der X-Y-Dia­gramme der FIG 4 und 5 noch näher erläutert.
  • Das Diagramm der FIG 4 zeigt dabei die Kurvenanfangsphase, die durch die voreilenden Schienenverlauf-Meßeinrichtungen der vorlaufenden Einzelräder 2 und 4 erfaßt wird. In FIG 4 ist nur der Verlauf der Schiene 6 und das vorlaufende Einzelrad 2 ein­gezeichnet. Für die Schiene 7 und das vorlaufende Einzelrad 4 gelten die nachfolgenden Ausführungen analog. Zu einem Zeit­punkt t₀ befindet sich das Einzelrad 2 und somit auch seine durch den Radaufstandspunkt definierte Meßebene MI auf der Geraden und die durch die Schienenverlauf-Meßeinrichtung definierte Meßebene MII am Kurvenanfangspunkt (0-Punkt). Die voreilende Schienenverlauf-Meßeinrichtung des Einzelrades 2 erfaßt in ihrer Meßebene MII den Kurvenanfangspunkt also bereits, wenn sich das Einzelrad 2 noch auf der Geraden befindet. Ebenso wird das dem Kurvenradius entsprechende Radiussignal R noch während der Geradeausfahrt des Einzelrades 2 ermittelt. Mit schrittweiser Vergrößerung des Signals Δ x3 wird der Winkel der Sehne zwischen Radaufstandspunkt und Meß­ebene MII ermittelt und als Stellwinkel α auf das Stellglied 8 des vorlaufenden Einzelrades 2 gegeben. Gleichzeitig wird der Stellwinkel α auch dem Stellglied 3 des nachlaufenden Einzel­rades 3 im gegenläufigen Sinne zugeführt. Solange R1 < R2, ist das Winkelsignal α = α′. Zum Zeitpunkt t₆ tritt am Vergleichs­glied 97 ly = lc auf und am Vergleichsglied 98 tritt das Radiussignal R = R1 = R2 auf. Über das Rechenglied 93 wird dann das Korrekturwinkelsignal α₀₁ errechnet und kurzzeitig α = 90° - α₀₁ am Einzelrad 2 eingestellt.
  • Beim Überfahren des Kurvenanfangspunktes durch das vorlaufende Einzelrad 2 schwenkt die Längsachse 13 des Schienenfahrzeugs 1 und damit die parallele Achse 13a, wie in FIG 5 dargestellt, um einen sich ständig vergrößernden Winkel β aus der Geradeaus­richtung heraus. In FIG 5 ist außer dem vorlaufenden Einzelrad 2 auch das nachlaufende Einzelrad 3 dargestellt. Mit L ist das dem Abstand der Radaufstandspunkte der Einzelräder 2 und 3 ent­sprechende Ausgangssignal bezeichnet. Nach dem Überfahren des Kurvenanfangspunktes werden ständig sowohl das Winkelkorrektur­signal α₀₂ vom Rechenglied 94 errechnet als auch das Winkel­signal β aus den Messungen am nachlaufenden Einzelrad 3 er­mittelt. Der Winkel β wird hierbei aus der Beziehung tan β = Δ x4/lc ermittelt, wobei es sich bei dem Δ x4-Wert des Einzel­rades 3 um einen dem Δ x3-Wert des Einzelrades 2 entsprechen­den Wert handelt. Bei dem während des Einlaufens des vorlaufen­den Einzelrades 2 in die Kurve auftretenden Längensignal S handelt es sich um die y-Koordinate des Kurvenpunktes; bei dem Signal a handelt es sich um seine x-Koordinate. Sowohl das Längensignal S als auch das Signal a wird aus den Messungen am nachlaufenden Einzelrad 3 ermittelt. Die Ermittlung der sich bei Kurveneinlauf ständig vergrößernden Signale S und a beginnt mit dem Auftreten eines Winkelsignals β am nachlaufenden Einzelrad 3. Befinden sich beide Einzelräder 2 und 3 in der Kurve, dann ist Δ x3 = Δ x4 und damit α = β = dem halben Zentriwinkel dieses Bogenabschnittes. Die Übereinstimmung der Meßwerte wird von der Auswerteelektronik als Indiz dafür ge­wertet, daß sich das Schienenfahrzeug 1 voll im Gleisbogen be­wegt. Der Stellwinkel α wird von da ab solange konstant gehal­ten, bis sich bei dem vorlaufenden Einzelrad 2 eine Änderung Δ x3-Wertes ergibt. Während der Konstanthaltung des Stell­winkels α werden die Werte für das Längensignal S und das Signal a auf Null gesetzt und der Rechenvorgang gestoppt. Die erneute Berechnung von S und a beginnt erst wenn sich Δ x3 erneut ändert.
  • In den FIG 6-8 sind jeweils verschiedene Schnittdarstellungen des Schienenfahrzeugs 1 im Bereich seiner vorderen Radkästen 151,152 dargestellt. FIG 6 zeigt eine Seitenansicht des linken vorderen Einzelrades 4, das in einer hier nicht dargestellten, im Radkasten 151 eingebauten Radführungslängsschwinge drehbar gelagert ist. Auf die Fahrtrichtung 18 bezogen sind vor dem Radaufstandspunkt P4 des Einzelrades 4 auf der Schiene 7 in einem festen Abstand lc der Lasersender 21 und der Laser­empfänger 29 angeordnet. Der Bezugspunktreflektor 33 befindet sich im Strahlengang des von dem Lasersender 21 ausgesandten und von der Schienenkopfoberfläche reflektierten Laserstrahls 25. Ein hier nicht dargestelltes, rechtwinklig zur Längsachse 13 des Schienenfahrzeugs 1 rotierendes Spiegelpolygon führt zu einem intermittierenden Laserstrahl 25, dessen Meßintervall­frequenz durch die Drehzahl des reflektierenden Spiegelpolygons bestimmt ist. Bei einem 12-Spiegelpolygon, das z.B. eine Drehzahl von 3600/min aufweist, entsteht eine Meßintervall­frequenz von 0,72 Laserstrahldurchgängen/msec, was einem Zeitaufwand pro Laserstrahl von 1,39 msec und bei einer Auswerterechnerzeit von 1,6 msec einer Δ x3-Bestimmung von 3 msec entspricht. Bei Geschwindigkeiten von 18 bis 100 km/h erfolgen dadurch Lageaufnahmen einschließlich Auswertung in Abständen von 15 bis 80 mm, d.h. alle 1,5 bis 8 cm wird geprüft, ob sich das Einzelrad auf einer geraden Strecke oder in einer Kurve befindet. Der Spiegelrotor erzeugt darüber hinaus in vorteilhafter Weise einen Überdruck aus sauberer Luft an den Schienenverlauf-Meßeinrichtungen, so daß Verunreini­gungen fern gehalten werden. Die saubere Luft kann hierbei aus dem Wageninneren oder über Filter aus dem Fahrtwind entnommen werden.
  • FIG 7 zeigt eine Draufsicht auf die beiden vorderen Einzelräder 2 und 4. Vor den beiden Einzelrädern 2 und 4 sind jeweils die Lasersender 19 und 21 und die Laserempfänger 27 und 29 angeord­net. Durch den Radaufstandspunkt P2 des Einzelrades 2 bzw. durch den Radaufstandspunkt P4 des Einzelrades 4 wird jeweils die Meßebene MI bestimmt und durch den Reflektionspunkt des Sendestrahls 23 bzw.25, die in FIG 7 nicht sichtbar sind (ver­gleiche hierzu FIG 6), wird jeweils die Meßebene MII bestimmt. Der Abstand zwischen den beiden Meßebenen MI und MII entspricht also dem Abstand lc.
  • FIG 8 zeigt eine Vorderansicht des in FIG 7 dargestellten Aus­schnittes des Schienenfahrzeugs 1. Die Fahrtrichtung 18 zeigt hierbei aus der Papierebene heraus. Es sind deshalb nur die vor den Laserempfängern 27 und 29 liegenden Lasersender 19 und 21 sichtbar. Sowohl der vom Lasersender 19 ausgesendete Laser­strahl 23 als auch der vom Lasersender 21 ausgesendete Laser­strahl 25 rotieren senkrecht zur Längsachse 13 des Schienen­fahrzeugs 1, so daß sich beide Laserstrahlen 23 und 25 bei der in FIG 8 gewählten Darstellung in der Zeichenebene bewegen. Die Bezugspunktreflektoren 31 und 33 sind im Strahlengang angeord­net und im Radkasten 151 bzw.152 gehalten. Durch die vorstehend beschriebene Rotation des Laserstrahls 23 bzw.25 wird für jedes Einzelrad 2 bzw.4 der Verlauf der betreffenden Schiene 6 bzw.7 erkannt. Diese sensorische Erfassung des Schienenverlaufs geschieht hierbei im Abstand lc vor dem jeweiligen Randauf­standspunkt P2 bzw.P4 des jeweiligen Einzelrades 2 bzw.4. Die Abweichung des Schienenverlaufs um einen Betrag Δ x3 von dem geradlinigen Verlauf der Schienen 6 und 7 ist mit 6ri und 7ri bzw.6le und 7le bezeichnet.
  • Der in FIG 9 dargestellte Strahlengang des Laserstrahles 23 gilt analog auch für die Laserstrahlen 24-26 der den Einzel­rädern 3-5 zugeordneten Lasersender 20-22. Der rotierende Laserstrahl 23 wird von dem Lasersender 19 emittiert und sowohl von dem Bezugspunktreflektor 31 als auch von der Schiene 6 (Gerade) bzw. 6le (Linkskurve) bzw. 6ri (Rechtskurve) reflek­tiert. Durch die Anordnung des Lasersenders 19 und des Laser­empfängers 27 im Abstand lc vor dem Radaufstandspunkt P2 (in Fahrtrichtung 18 gesehen) wird der Schienenverlauf jeweils vor dem Erreichen des Einzelrades bestimmt. Dadurch daß der Bezugspunktreflektor 31 als schmaler Steg ausgebildet ist, dessen Breite kleiner als die Breite der Schienenkopfoberfläche ist, kann auch die in FIG 10 beschriebene Differenzierung des auf der Schienenkopfoberfläche reflektierten Sendestrahles vorgesehen werden.
  • Aufgrund der in FIG 9 beschriebenen Ausgestaltung der Bezugs­punktreflektoren 31-34 ist die Differenzierung der reflektier­ten Laserstrahlen 23-26 möglich. Am Beispiel des vom Laser­sender emittierten Laserstrahls 23 soll diese Differenzierung in FIG 10 erläutert werden. Der rotierende Laserstrahl 23 bewegt sich wiederum in der Zeichenebene. Die reflektierten Sendestrahlen sind zur besseren Übersicht nicht eingezeichnet. Die Differenzierung erfolgt dadurch, daß der reflektierte Laserstrahl 23 in ein Hauptsignal Sh und zwei Nebensignale Sn1 und Sn2 zerlegt wird. Das Hauptsignal Sh ergibt sich aus der Reflektion an dem Bezugspunktreflektor 31, die Nebensignale Sn1 und Sn2 erhält man durch die Reflektion des Laserstrahles 23 an der Schienenkopfoberfläche rechts und links vom Bezugspunkt­reflektor 31. Bei in Geradeauslage befindlicher Schiene 6 ist der Bezugspunktreflektor 31 mittig zur Schienenkopfoberfläche angeordnet und die beiden Nebensignale Sn1 und Sn2 weisen gleiche Signalbreiten auf (Symmetrielage des Bezugspunkt­reflektors 31). Auf einem Monitor erhält man somit die ober­halb des Lasersenders 19 dargestellte Signalform. Wandert der rotierende Laserstrahl 23 aus seiner Symmetrielage heraus, z.B. in die gestrichelt eingezeichnete Schienenlage aufgrund einer Schienenverwerfung bei Geradeausfahrt um einen Wert T, dann erhält man die beiden Nebensignale S′n1 und S′n2 (bei S′n2 ist die Fußbreite größer als bei Sn2, bei S′n2 ist sie dagegen kleiner als bei Sn1). Diese Änderung der beiden Nebensignale von Sn1 bzw.Sn2 in S′n1 bzw.S′n2 führt über die Beziehung Δ x1 = S′n2-S′n1 zu einem Δ x1-Wert, der bei überschreiten einer vor­gegebenen Schwelle (Schwellendiskriminator 65 in FIG 2) einen Δ x3-Wert ergibt, der den Stellwinkel α entsprechend der Kurven­lage einsteuert. Unterhalb dieses Grenzwertes (Schwellendis­kriminator 66 und Gegenregler 67 in FIG 2) wird über einen Δ x2-Wert der Stellwinkel α entgegen der Schienenabweichung korrigiert. Die Differenzierung des Reflektionssignals erfordert bei rotierenden Laserstrahlen eine entsprechend hohe Signalauflösung und entsprechend kurze Auswertezeiten. Wenn dies nicht gegeben ist, muß für die Geradeausfahrt ein zweiter Laser eingesetzt werden, der jedoch nur als Schwingkopf die doppelte Schienenkopfbreite erfassen muß und dadurch wesentlich längere Intervallzeiten erzeugt, die eine Signaldifferenzierung und Auswertung, wie zuvor beschrieben, zuläßt. Durch die Erfas­sung der doppelten Schienenkopfbreite kann dieses Verfahren auch zur Erkennung von Weichenüberfahrten benutzt werden.
  • Die in den FIG 11 und 12 dargestellten Schienenverlauf-Meß­einrichtung für Einzelräder unterscheidet sich von der in den FIG 1-10 beschriebenen Schienenverlauf-Meßeinrichtung dadurch, daß nicht nur vor dem ersten oder hinter dem letzten Einzelrad je ein Lasersender und ein Laserempfänger angeordnet sind, sondern, daß sowohl vor als auch hinter jedem Einzelrad ein Lasersender und ein Laserempfänger angeordnet sind. Die Laser­sender 19 und 20 sowie die Laserempfänger 27 und 28 sind in einem Schwenkhebel 153 befestigt, der um eine Schwenkbolzen 154, der mit der Senkrechten durch den Achsschenkeldrehpunkt des Einzelrades 2 zusammenfällt, horizontal schwenkbar in der Ober­ seite der Radführungslängsschwinge 155 gelagert und mit dem Radträger fest verbunden ist. Wie bei den vorhergehenden Aus­führungsbeispielen liegt die Schienenachse bei Geradeausfahrt wiederum in der y-Achse, so daß sich für die Abweichung vom geradlinigen Schienenverlauf wiederum ein Δ x3-Wert ergibt. Bei vorgegebenem Abstand lc der Meßebene MII bzw.MIII von der Meßebene MI ergibt sich für den Einstellwinkel die Beziehung α = arctan ( Δ x3/lc). Der Einstellwinkel wird hierbei von der in Fahrtrichtung 18 vornliegenden Meßebene MII bestimmt. Durch Vergleich der Δ x3-Werte der vorderen Meßebene MII und der hinteren Meßebene MIII wird festgestellt, ob sich das Schienen­fahrzeug 1 in einem geraden Gleisabschnitt oder im Kurvenein- oder -auslauf oder im Gleisbogendurchlauf befindet. Sind die Δ x3-Werte für die vordere Meßebene MII und die hintere Meß­ebene MIII gleich Null, so befindet sich die Fahrzeugeinheit im geraden Gleisabschnitt. Stimmen die Δ x3-Werte für die vordere Meßebene MII und die hintere Meßebene MIII nicht überein, so befindet sich das Schienenfahrzeug 1 im Kurvenein- oder -aus­lauf. Im Kurvenbeginn, also von y = 0 bis y = lc ist der Δ x3-­Wert der vorderen Meßebene MII betragsmäßig größer als der Δ x3-­Wert der hinteren Meßebene MIII. Darüber hinaus sind sowohl die vorderen als auch die hinteren Δ x3-Werte von der Schienen­kurvenrichtung abhängig, d.h. bei einer Rechtskurve ist der vordere Δ x3-Wert negativ und bei einer Linkskurve ist der vordere Δ x3-Wert positiv; der hintere Δ x3-Wert tritt jeweils mit umgekehrten Vorzeichen auf. Die seitliche Schienenab­weichung Δ x3 von der Geradeausrichtung wird von der vorderen Meßebene MII in einer Entfernung lc vom Radaufstandspunkt P2 gemessen und als Stellwinkelwert α aus der Beziehung α = arctan ( Δ x3/lc) berechnet und einem Stellglied 8 zugeführt. Zu Beginn der Einsteuerung ergibt sich in der hinteren Meßebene MIII ein Δ x3-Wert, der dem Stellwinkel der jeweiligen Steuer­stellung entspricht. Bei Übereinstimmung des hinteren Δ x3- ­Wertes mit dem vorderen Δ x3-Wert ist die Korrektur des Lenk­einschlags beendet und der Stellwinkel α wird solange beibe­ halten, bis die vordere Meßebene MII einen anderen Δ x3-Wert als die hintere Meßebene MIII ermittelt. Wird der vordere Δ x3-­Wert kleiner als der hintere Δ x3-Wert, so wird der Schienen­bogenradius größer. Bei einem vorderen Δ x3-Wert gleich Null beginnt wieder ein gerader Gleisabschnitt. Tritt während des Steuervorganges ein Vorzeichenwechsel bei dem vorderen Δ x3-­Wert auf, dann läuft das Schienenfahrzeug 1 in eine S-Kurve ein.
  • In den FIG 13-15 ist eine weitere Ausführungsform einer Schienenverlauf-Meßeinrichtung dargestellt. Auch bei dieser Schienenverlauf-Meßeinrichtung wird der Schienenverlauf berüh­rungslos erfaßt. Sie unterscheidet sich von den in FIG 1-12 beschriebenen Schienenverlauf-Meßeinrichtungen dadurch, daß die Erfassung des Schienenverlaufs nicht auf opto-elektroni­scher Basis, sondern auf magnetischer bzw. elektromagnetischer Basis erfolgt. In FIG 13 bzw.15 ist jeweils ein Schienenfahr­zeug 1 im Bereich seines linken vorderen Radkastens 152 darge­stellt, in dem das linke vordere Einzelrad 4 in hier nicht dargestellter Weise drehbar gelagert ist. Auf die Fahrtrichtung 18 bezogen ist vor dem Radaufstandspunkt P4 des Einzelrades 4 auf der Schiene 7 ein magnetischer Richtungsanzeiger 200 ange­ordnet. Der magnetische Richtungsanzeiger 200 besteht aus einem Magnetträger 201, der um eine in einem Abstand lc vertikal an­geordnete Drehachse 202 horizontal drehbar ist. Der Magnet­träger 201 ist in einem spritzwassergeschützten und schlag­festen Gehäuse 210 wälzgelagert und zusätzlich um einen Schwenk­punkt 203 seitlich schwenkbar. Das Gehäuse 210 einschließlich Magnetträger 201 ist, wie in den FIG 13-15 dargestellt, zweck­mäßigerweise als Teleskop-Pendel 211 ausgebildet. Um bei gerin­gen Schienenabweichungen in großen Gleisbögen die Winkelschritte deutlich anzuzeigen, ist eine Aufwärtsübersetzung zwischen dem Magnetträger 201 und dem Winkelschrittgeber 207 vorgesehen. Der Magnetträger 201 des magnetischen Richtungsanzeigers 200 weist mindestens einen Richtungsmagneten 204,205 auf. Die beiden Richtungsmagneten sind in einem Abstand b symmetrisch zu beiden Seiten der Drehachse angeordnet. Zwischen den beiden Richtungs­ magneten 204 und 205 ist mittig zu diesen ein Pendelmagnet 206 angeordnet, der fest mit dem Gehäuse 210 verbunden ist.
  • Die in FIG 15 dargestellte Ausführungsform des magnetischen Richtungsanzeigers unterscheidet sich dadurch, daß anstelle von zwei Richtungsmagneten nur ein Richtungsmagnet 204 vorgesehen ist. Dieser Richtungsmagnet 204 liegt in Fahrtrichtung 18 gesehen vor der Drehachse 202.
  • Dadurch, daß das Teleskop-Pendel 211 wie vorstehend beschrieben um einen Schwenkpunkt 203 seitlich schwenkbar ist, schwenkt der magnetische Richtungsanzeiger 200 in der Kurvenlage seitlich aus und kann damit dem Maximum des Magnetfeldes zwischen den Richtungsmagneten 204 und 205 und der Schiene 7 selbsttätig folgen. In FIG 14 ist am Beispiel einer Linkskurve bei der Schiene 7 das selbsttätige Wegschwenken des Teleskop-Pendels 211 (gestrichelte Linien) dargestellt. Durch das von den Richtungsmagneten 204 und 205 sowie von den Pendelmagneten 206 erzeugten Magnetfeld stellt sich der magnetische Richtungsan­zeiger 200 und damit der Winkelschrittgeber 207 entsprechend dem Verlauf der Schiene 7 ein. Vom Winkelschrittgeber 207 werden die Winkelsignale α in hier nicht näher beschriebener Weise über ein Kabel 208 zur Betätigung eines Stellgliedes 209 weitergeleitet. Der fest mit dem Gehäuse 210 verbundene Pendel­magnet 206 unterstützt die durch die Richtungsmagnete 204 und 205 verursachte Schwenkbewegung (FIG 14) bei Durchfahrt einer Kurve. Darüber hinaus stabilisiert der Pendelmagnet 206 die Senkrechtstellung des Teleskop-Pendels 211 bei Geradeausfahrt. Zur Dämpfung der Drehbewegung des Magnetträgers 201 kann das Gehäuse 210 des Magnetträgers gegebenenfalls mit Flüssigkeit gefüllt werden. Der Abstand des Magnetträgers 201 von der Schienenkopfoberseite ist abhängig vom Verschleiß des jewei­ligen Einzelrades; er muß deshalb in größeren Zeitabständen manuell nachgestellt werden. Bei fremderregten Richtungs­magneten (elektromagnetische Sensoreinrichtung) wird dieser Zeitpunkt durch den Anstieg der Erregerstromaufnahme angezeigt.

Claims (20)

1. Schienenfahrzeug, das entlang der Fahrzeuglängsachse beid­seitig eine vorgebbare Zahl von Einzelrädern umfaßt, die durch Lenkung schwenkbar sind, gekennzeichnet durch eine Schienenverlauf-Meßeinrichtung (14-17), die die Ab­weichung einer Fahrzeugachse (13) vom Verlauf der Schienen (6,7) mißt und die abhängig von gemessenen Abweichungen ein Lenk­signal (g1-g4) für jedes Einzelrad (2-5) unabhängig vom jeweils anderen erzeugt.
2. Schienenfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fahrzeugachse die Längsachse (13) oder eine dazu parallele Achse (13a) des Schienenfahrzeugs (1) ist.
3. Schienenfahrzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schienenverlauf-Meßein­richtung (14-17) zur schrittweisen Messung der Abweichung der Fahrzeugachse (13) vom Verlauf der Schienen (6,7) ausgebildet ist.
4. Schienenfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­durch gekennzeichnet, daß die Schienen­verlauf-Meßeinrichtung (14-17) zur berührungslosen Messung der Abweichung der Fahrzeugachse (13) vom Verlauf der Schienen (6,7) ausgebildet ist.
5. Schienenfahrzeug nach einem der Ansprüche 2 bis 4, da­durch gekennzeichnet, daß die Schienen­verlauf-Meßeinrichtung (14-17) in dem Sinne ausgebildet ist, daß bei gemessenen relativen Abweichungen zwischen der Fahr­zeuglängsachse (13) oder einer dazu Parallelen (13a) und der Längsachse der jeweiligen Schiene (6,7) in einem vorgebbaren unteren Bereich (Δ x2) ein Geradeaussignal (g1-g4) als Lenksignal erzeugt wird, das der Abweichung entgegenwirkt, so daß die Geradeausfahrt eingehalten wird, und daß erst bei einer gemessenen relativen Abweichung (Δ x3), die den vorgebbaren unteren Bereich überschreitet, ein Winkelsignal (α - δ) als Lenksignal erzeugt wird, so daß jetzt dem Kurvenverlauf entsprechend eingelenkt wird.
6. Schienenfahrzeug nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schienenverlauf-Meßein­richtung (14-17) so ausgebildet ist, daß beim Messen einer relativen, den vorgebbaren unteren Bereich überschreitenden Abweichung (Δ x3) an wenigstens einem vorlaufenden Einzelrad (2-5), das dabei erzeugte Winkelsignal (α - δ) als Lenksignal sowohl diesem Einzelrad (2,4) als auch weiteren, insbesondere paarweise den nachlaufenden, Einzelrädern (3,5) zugeführt wird.
7. Schienenfahrzeug nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Zeitpunkt des Auftretens eines Winkelsignals (α - δ) und dem Zeitpunkt des Beginns des Einlenkens von Einzelrädern (2-5), den Einzelrädern (2-5) speziell zugeordnete Zeitverzögerungen derart eingebaut sind, daß die Einzelräder (2-5) immer im wesentichen erst bei Kurveneinlauf der Einzelräder (2-5) bzw. beim Einschwenken der Fahrzeugachse (13) geschwenkt werden.
8. Schienenfahrzeug nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schienenverlauf-Meßein­richtung (14-17) so ausgebildet ist, daß sie nach dem Beginn eines Schwenkens von Einzelrädern (2-5) aufgrund eines von einem vorlaufenden Einzelrad (2,4) abgeleiteten Lenksignals (α, γ) auftretende relative Abweichungen (Δ x3) der Fahrzeug­längsachse (13) oder einer dazu Parallelen (13a) gegenüber der in Geradeausrichtung liegenden Längsachse der jeweiligen Schienen (6,7) mißt, und daß daraufhin der zuvor eingestellte Lenkeinschlag auf den jeweiligen, dem Meßresultat entsprechen­ den Lenkeinschlag (α′) korrigiert wird, so daß bei Überein­stimmung der Lenkeinschläge (α - δ) sowohl der vor- als auch der nachlaufenden Einzelräder (2-5) die Fahrzeuglängsachse (13) sich in Sehnenlage zur Kurve befindet.
9. Schienenfahrzeug nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schienenverlauf-Meßeinrichtung (14-17) mindestens eine opto-elektronische Sensoreinrichtung für jedes Einzelrad (2-5) sowie eine Auswerteelektronik (35-38) umfaßt, wobei vorzugs­weise jede opto-elektronische Sensoreinrichtung aus einem Lasersender (19-22), der einen Laserstrahl (23-26) emittiert, einem Laserempfänger (27-30) und einem Bezugspunktreflektor (31-34) besteht.
10. Schienenfahrzeug nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteelektronik aus Blöcken (35-38) besteht, deren Signalausgänge untereinander sowie über ODER-Glieder (35a-38a) mit den Stellgliedern (8-11) der Einzelräder (2-5) des Schienenfahrzeugs (1) verbunden sind.
11. Schienenfahrzeug nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Block (35-38) der Auswerteelektronik einen Lenksignalerzeuger (39-42) sowie logische Schaltglieder (43-46) enthält, und daß die den vor­laufenden Einzelrädern (2,4) zugeordneten Blöcke (35,37) ein zusätzliches Vergleichsglied (47,48) aufweisen.
12. Schienenfahrzeug nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet daß der Lenksignalerzeuger (39-42) einen Sendegenerator (60) für den Optosender (19-22) und einen Empfangsverstärker (61) für den Optoempfänger (27-30) umfaßt, wobei dem Empfangsverstärker (61) sowohl ein Signal­erzeuger (62), der ein Hauptsignal (Sh) erzeugt, als auch ein Istwertermittler (63), der Nebensignale (Sn1,Sn2,S′n1,S′n2) erzeugt, nachgeschaltet ist, und die Haupt- und Nebensignale einem Vergleichsglied (64) zuführbar sind, das an seinem Ausgang ein Ausgangssignal (Δ x1) erzeugt, das der Änderung der Nebensignale (Sn1,Sn2,S′n1,S′n2) entspricht und das sowohl einem ersten Schwellendiskriminator (65) als auch einem zweiten Schwellendiskriminator (66) zuführbar ist, wobei ein unterhalb eines Schwellwertes liegendes Ausgangssignal (Δ x1) ein Aus­gangssignal (Δ x2) am Ausgang des Schwellendiskriminators (66) und ein oberhalb eines Schwellenwertes liegendes Ausgangssignal (Δ x1) ein Ausgangssignal (Δ x3) am Ausgang des Schwellendis­kriminators (65) erzeugt.
13. Schienenfahrzeug nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß dem Schwellendiskriminator (66) ein Gegenregler (67) nachgeschaltet wird, der in Abhän­gigkeit von den Ausganssignalen (Δ x2) des Schwellendiskrimi­nators (66) Geradeaussignale (g1-g4) für jedes Einzelrad (2-5) erzeugt.
14. Schienenfahrzeug nach einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Lenksignalerzeuger (39-42) einen Rechner (68) auf­weist, dem einerseits das Ausgangssignal (Δ x3) des Schwellen­diskriminators (65) und ein erstes konstantes Längensignal (lc) von einem ersten Festwertspeicher (69) sowie ein zweites konstantes Längensignal (L) von einem zweiten Festwertspeicher (70) zuführbar ist, wobei das erste konstante Längensignal (lc) dem Abstand der Schienenverlauf-Meßeinrichtung (14-17) vom zugehörigen Einzelrad (2-5) und das zweite konstante Längen­signal (L) dem Abstand zwischen den Radaufstandspunkten der vor- und nachlaufenden Einzelräder (2-5) entspricht, und das dem Rechner (68) andererseits ein erstes variables Längensignal (ly) von dem Winkelschrittgeber (72) sowie ein zweites variables Längensignal (S) und ein Winkelsignal (β) von einem im Lenksignalerzeuger (40) des nachlaufenden Einzelrades (3) angeordneten Winkelschrittgeber zuführbar ist.
15. Schienenfahrzeug nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Rechner (68) des Lenk­signalerzeugers (39-42) sieben Rechenglieder (90-96) sowie ein erstes und zweites Vergleichsglied (97 bzw.98) umfaßt, wobei das erste Rechenglied (90) einen ersten Radius (R1) gemäß der Gleichung
Figure imgb0007
 das zweite Rechenglied einen zweiten Radius (R2) gemäß der Gleichung
Figure imgb0008
 das dritte Rechenglied (92) ein Winkelsignal (α′) gemäß der Gleichung
Figure imgb0009
 das vierte Rechenglied (93) ein Winkelkorrektursignal (α₀₁) gemäß der Gleichung
Figure imgb0010
 das fünfte Rechenglied (94) ein Winkelkorrektursignal (α₀₂) gemäß der Gleichung
Figure imgb0011
 und das sechste Rechenglied (95) ein Signal a gemäß der Gleichung
a = L tanβ cosβ
ermittelt, wobei die Aktivierung des vierten Rechengliedes (93) und des fünften Rechengliedes (94) in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des ersten Vergleichsgliedes (97) erfolgt und die ermittelten Radien (R1,R2) als Ausgangssignale dem zweiten Vergleichsglied (98), das Signal a dem fünften Rechenglied (94) und die Winkelkorrektursignale (α₀₁, α₀₂) sowie das Winkel­ signal (α′) dem siebten Rechenglied (96) zuführbar sind und das siebte Rechenglied (96) ein Winkelsignal (α), das als Stellwinkelsignal für die Einzelräder (2-5) dient, gemäß folgender Bedingung ergibt
Figure imgb0012
16. Schienenfahrzeug nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schienenverlauf-Meßeinrichtung (14-17) eine elektro­magnetische und/oder magnetische Sensoreinrichtung umfaßt, die aus wenigstens einem magnetischen Richtungsanzeiger (200) für jedes Einzelrad (2-5) besteht.
17. Schienenfahrzeug nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische Richtungs­anzeiger (200) aus einem Magnetträger (201) besteht, der um eine in einem Abstand (lc) vertikal angeordnete Drehachse (202) horizontal drehbar und um einen Schwenkpunkt (203) seitlich schwenkbar ist.
18. Schienenfahrzeug nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetträger (201) des magnetischen Richtungsanzeigers (200) wenigstens einen Rich­tungsmagneten (204,205) aufweist.
19. Schienenfahrzeug nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (210) des Magnetträgers (201) einen Pendelmagneten (206) aufweist.
20. Schienenfahrzeug nach einem oder mehreren der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslenkung des magnetischen Richtungsanzeigers (200) gegenüber der Längsachse (13) des Schienenfahrzeugs (1) oder einer dazu parallelen Achse (13a) über einen Winkelschritt­geber (207) einem Stellglied (209) für das jeweilige Einzel­rad (2-5) zuführbar ist.
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