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Dokumentenidentifikation DE4109403A1 04.06.1992
Titel Verfahren zur Spurführung der Laufräder eines schienengebundenen Fahrzeuges
Anmelder Bochumer Eisenhütte Heintzmann GmbH & Co KG, 4630 Bochum, DE
Erfinder Sebastian, Lothar, Dipl.-Ing., 4630 Bochum, DE;
Koppers, Manfred, Dipl.-Ing. (FH), 4100 Duisburg, DE
Vertreter Andrejewski, W., Dipl.-Phys. Dr.rer.nat.; Honke, M., Dipl.-Ing. Dr.-Ing.; Masch, K., Dipl.-Phys. Dr.rer.nat.; Albrecht, R., Dipl.-Ing. Dr.-Ing., Pat.-Anwälte, 4300 Essen
DE-Anmeldedatum 22.03.1991
DE-Aktenzeichen 4109403
Offenlegungstag 04.06.1992
Veröffentlichungstag im Patentblatt 04.06.1992
IPC-Hauptklasse B61F 5/38
IPC-Nebenklasse G05D 1/02   G01C 3/10   
Zusammenfassung Verfahren zur Spurführung der Laufräder eines schienengebundenen Fahrzeuges nach Maßgabe von zumindest einer Spurführungsschiene und Führungsspur, die bei der Bewegung des Fahrzeuges abgefahren wird, wobei die Spurführung nach Maßgabe von Steuerimpulsen erfolgt und die Steuerimpulse die Laufräder um vertikale Achsen schwenken. Die Spurführungsschiene wird von optoelektronischen Triangulationssensorenpaaren abgefahren, wobei jeder Triangulationssensor einen Sender und einen Empfänger aufweist sowie mit einem Lasermeßstrahl arbeitet und wobei die Triangulationssensorenpaare in dem Bereich der zu führenden Laufräder vor den Laufrädern an dem Fahrzeug befestigt sind. Der Lasermeßstrahl wird bei spurtreuem Lauf der zu steuernden Laufräder am Fahrzeug an der Führungsspur reflektiert und erzeugt über Reflexion in dem Empfänger Ja-Impulse. Bei spurfremdem Lauf der zu steuernden Laufräder erzeugt der Lasermeßstrahl am Fahrzeug wegen fehlender Reflexion Nein-Impulse. Die Laufräder werden nach Maßgabe der Impulse zumindest eines Triangulationssensorenpaares über zumindest einen Stellmotor auf den spurtreuen Lauf eingestellt.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Spurführung der Laufräder eines schienengebundenen Fahrzeuges nach Maßgabe von zumindest einer Spurführungsschiene und zumindest einer Führungsspur, die bei der Bewegung des Fahrzeuges abgefahren wird, wobei die Spurführung nach Maßgabe von Steuerimpulsen erfolgt und die Steuerimpulse die Laufräder um vertikale Achsen schwenken.

Bei dem bekannten Verfahren, von dem die Erfindung ausgeht, ist die Steuerung insgesamt eine Spurkranzsteuerung mit Hilfe von Spurkränzen, die Teil der Laufräder sind. Die Steuerimpulse sind mechanische Impulse, welche die Schienen, die beide als Spurführungsschienen funktionieren, den Laufrädern mitteilen. Die Spurkränze sind wulstförmige Flansche an der Innenseite jedes Radreifens. In der Praxis ist die Anordnung so getroffen, daß bei neuen Radsätzen zwischen Spurkranz und Schienenkopf ein Spiel von etwa sieben Millimetern verbleibt. Die Radreifen besitzen die Form eines Kegelmantels, wodurch bei Kurvenfahrt die Halbmesserunterschiede der beiden Schienen ausgeglichen werden. Infolge dieser Kegelform der Radreifen durchläuft ein Radsatz das gerade Gleis mit seinen beiden Schienen in einer mehr oder weniger sinusförmigen Wellenlinie. Die Laufflächenkegelneigung beträgt z. B. 1 : 40 und geht am äußeren Ende in 1 : 20 über. Entsprechend ist die Querschnittsneigung der Schienen im Gleis 1 : 40. Um die Zentrifugalkraft bei Kurvenfahrt auszugleichen, erhält das Gleis mit seinen beiden Schienen im Bogen eine Querneigung. Die Überhöhung der bogenäußeren Schiene kann 100 mm und mehr betragen. Die Kurven sind kreisbogenförmig geführt. Zwischen der Geraden und dem Kreisbogen wird ein sogenannter Übergangsbogen angeordnet, um die Krümmung und damit die Seitenbeschleunigung stetig anwachsen zu lassen. Das alles sind Maßnahmen, deren Funktionssicherheit mit zunehmender Geschwindigkeit der schienengebundenen Fahrzeuge abnimmt oder in zunehmendem Maße hohe Anforderungen an die zwischen Laufrad und Schiene einzuhaltenden Toleranzen stellt. Die Fahrzeuge selbst sind zumeist mit Drehgestellen ausgerüstet. Drehgestelle bezeichnen bei Schienenfahrzeugen ein zwei- oder dreiachsiges Fahrgestell mit einer zapfenförmig ausgebildeten vertikalen Achse in seiner Mitte, auf der sich der Fahrzeugkasten mit der Drehpfanne abstützt. Dieser Zapfen definiert die vertikale Achse, um die die Laufräder schwenken. Zwar wird durch die Drehgestelle die Laufgüte der schienengebundenen Fahrzeuge verbessert, die vorstehend angedeuteten Geschwindigkeitsprobleme bleiben jedoch. Im übrigen tritt bei Spurkranzsteuerung, auch bei kleinen Geschwindigkeiten, erheblicher Verschleiß an den Spurkränzen und auch an den Schienen auf, wodurch die beschriebenen Schwierigkeiten noch zunehmen.

In anderen Bereichen der Technik, z. B. bei Werkzeugmaschinen, setzt man für Steuerungszwecke auch digitale optoelektrische Triangulationssensoren ein. Die Existenz von solchen digitalen optoelektrischen Triangulationssensoren hat die Probleme um die Spurführung der Laufräder eines schienengebundenen Fahrzeuges bisher nicht beeinflußt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Spurführung der Laufräder eines schienengebundenen Fahrzeuges zu schaffen, welches auch und insbesondere bei hohen Geschwindigkeiten funktionssicher arbeitet und von den Nachteilen frei ist, die bei einer Spurkranzführung auftreten und vorstehend beschrieben wurden.

Zur Lösung dieser Aufgabe lehrt die Erfindung, daß die Spurführungsschiene von optoelektrischen Triangulationssensorenpaaren abgefahren wird, wobei jeder Triangulationssensor einen Sender und einen Empfänger aufweist sowie mit einem Lasermeßstrahl arbeitet und wobei die Triangulationssensorenpaare in dem Bereich der zu führenden Laufräder vor den Laufrädern an dem Fahrzeug befestigt sind, daß der Lasermeßstrahl bei spurtreuem Lauf der zu steuernden Laufräder am Fahrzeug an der Führungsspur reflektiert wird und über Reflexion in dem Empfänger Ja-Impulse erzeugt, daß der Lasermeßstrahl bei spurfremdem Lauf der zu steuernden Laufräder am Fahrzeug wegen fehlender Reflexion Nein-Impulse erzeugt und daß die Laufräder nach Maßgabe der Impulse zumindest eines Triangulationssensorenpaares über zumindest einen Stellmotor auf den spurtreuen Lauf eingestellt werden. - Der Stellmotor gehört einer Steuerstrecke an. Eine Steuerstrecke ist in einem technischen System bekanntlich eine Einrichtung, bei der eine oder mehrere Größen als Eingangsgrößen eine oder mehrere andere Größen als Ausgangsgrößen in bestimmter Weise beeinflussen. Im Rahmen der Erfindung sind die Eingangsgrößen die Steuerimpulse eines Triangulationssensorenpaares, die Ausgangsgröße ist am Ende die Schwenkbewegung der zugeordneten Laufräder. Bei der erfindungsgemäßen Verwendung eines Triangulationssensorenpaares sind kombinatorisch vier verschiedene logische Zustände möglich. Ja-Impulse von beiden Sensoren des Paares bedeuten spurtreuer Lauf, Nein-Impulse von beiden Sensoren stellen im normalen Betrieb einen unmöglichen Zustand dar. Ja-Impulse von einem Sensor und Nein-Impulse von dem anderen bedeuten einen Spurfehler, wobei die Richtung des Spurfehlers dadurch gegeben ist, welcher Sensor des Triangulationssensorenpaares Nein-Impulse liefert und welcher Sensor des Triangulationssensorenpaares Ja-Impulse liefert. Auf diese Weise erfolgt eine Differenzierung zwischen Linkskurve bzw. Rechtskurve.

Nach bevorzugter Ausführungsform der Erfindung sind die Laufräder des schienengebundenen Fahrzeuges einzeln steuerbar aufgehängt und werden einzeln oder gegenüberliegend paarweise durch Triangulationssensorenpaare laufgesteuert. Das erfindungsgemäße Verfahren ist ebenso bei Fahrzeugen mit Drehgestellen anwendbar, wobei dann das Drehgestell nach Maßgabe der Steuerimpulse geschwenkt wird, gleichsam gegenüberliegend paarweise angeordneten Laufrädern.

Die Triangulationssensoren können an den sogenannten Schienenbremsträgern angebracht sein, wodurch die Triangulationssensoren mit den Laufrädern bezüglich der Schwenkbewegungen gekoppelt sind. Die Triangulationssensoren können aber auch an dem Fahrwerksrahmen befestigt sein.

Nach weiterhin bevorzugter Ausführungsform der Erfindung wird als Spurführungsschiene zumindest eine der ohnehin vorhandenen Laufschienen und als Führungsspur deren Lauffläche eingesetzt. Im Rahmen der Erfindung liegt es, auch eine besondere Spurführungsschiene mit Führungsspur einzusetzen.

Die Erfindung beruht auf der überraschenden Tatsache, daß bei Verwirklichung des erfindungsgemäßen Verfahrens die Reflexion des Lasermeßstrahls an der Führungsspur problemlos durchgeführt werden kann, so daß bei spurtreuer Fahrt ein eindeutiges Ja-Signal erreichbar ist. Verläßt jedoch der Lasermeßstrahl die Führungsspur, gelangt er beispielsweise in einen Bereich neben dem Schienenkopf der Schiene, so findet diese Reflexion nicht mehr statt und es entsteht ein Nein-Signal. Bei der Fahrt eines schienengebundenen Fahrzeuges wechseln sich Ja-Impulse und Nein-Impulse verständlicherweise ab. Bei Geradeausfahrt erfolgt erstaunlicherweise eine Stabilisierung auch dahingehend, daß die eingangs beschriebene sinusförmige Bewegung nicht mehr stattfindet oder bezüglich der Amplitude wesentlich reduziert wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich auf verschiedene Weise weiter ausführen. Eine bevorzugte Ausführungsform besteht darin, daß ein Triangulationssensorenpaar paarweise gegenüberliegende Laufräder laufsteuert, wobei ein Triangulationssensor die rechte Kante einer Spurführungsschiene abfährt und der zweite Triangulationssensor die linke Kante einer Spurführungsschiene abfährt. - Der besondere Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, daß je Laufräderpaar aus paarweise gegenüberliegenden Laufrädern ein Triangulationssensorenpaar zur spurtreuen Steuerung des Laufräderpaares ausreicht. Es versteht sich, daß die Laufräder eines Laufräderpaares hinsichtlich ihrer Schwenkbewegung gekoppelt sein müssen. Beispielsweise kann eine solche Koppelung der Schwenkbewegungen mittels einer sogenannten Spurstange erfolgen, denkbar ist aber ebenso eine hydraulische oder elektronische bzw. elektrische Koppelung. Auch andere Lösungen liegen im Rahmen der Erfindung.

Eine weiterhin bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens besteht darin, daß Triangulationssensorenpaare die Laufräder einzeln laufsteuern, wobei ein Triangulationssensor die rechte Kante einer Spurführungsschiene abfährt und der zweite Triangulationssensor die linke Kante einer Spurführungsschiene abfährt. - In dieser Ausführungsform werden je Laufräderpaar zwei Triangulationssensorenpaare benötigt, dafür entfällt jedoch eine unter Umständen aufwendige Koppelung der Schwenkbewegungen der Laufräder eines Laufräderpaares. Es kann bei dieser Ausführungsform allerdings zweckmäßig sein, eine geeignete Koppelung dennoch vorzusehen, die im Falle der Störung eines Triangulationssensorenpaares das zugeordnete Rad im Rahmen einer Notsteuerung mit dem gegenüberliegenden Rad mitführt.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung ausführlicher erläutert. Es zeigen in schematischer Darstellung

Fig. 1 eine Draufsicht auf zwei Schienen eines Gleises für ein schienengebundenes Fahrzeug, welche Schienen in einer Rechtskurve geführt sind,

Fig. 2 in einem Vertikalschnitt durch eine Spurführungsschiene eine Skizze, in der die Funktion eines Triangulationssensors erläutert ist,

Fig. 3 den Gegenstand nach Fig. 2 in anderer Funktionsdarstellung,

Fig. 4 in Draufsicht Stellmotoren, die auf einzelne Laufräder nach Maßgabe des erfindungsgemäßen Verfahrens arbeiten,

Fig. 5 in schematischer Darstellung drei logische Zustände eines Triangulationssensorenpaares und

Fig. 6 in Draufsicht eine schematische Darstellung einiger Anordnungsmöglichkeiten des Stellmotors und des Triangulationssensorenpaares.

In der Fig. 1 erkennt man zunächst ein Gleis mit zwei Schienen 1, die in einer Rechtskurve geführt sind. Würde auf einem solchen Gleis ein schienengebundenes Fahrzeug geführt, so würden die Spurkränze der in Fahrtrichtung linken Laufräder wie beschrieben gegen die Schienen, die beide als Spurführungsschienen funktionieren, anlaufen, um die Kurvenfahrt zu bewirken. Das kann gleichsam stoßweise geschehen, wie es die sägezahnförmigen Kurven 2 andeuten. Die Laufräder mit ihren Spurkränzen wären beispielsweise in einem Drehgestell wie beschrieben angeordnet.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Spurführung der Laufräder eines schienengebundenen Fahrzeuges arbeitet anders. Dazu wird zunächst auf eine vergleichende Betrachtung der Fig. 2 und 3 verwiesen. Man erkennt hier eine Schiene 1 mit Schienenfuß 3 und Schienenkopf 4. Die Schiene 1 funktioniert als Spurführungsschiene. Man erkennt fernerhin, daß die Schiene 1 von einem optoelektrischen Triangulationssensor 6 abgefahren wird, der einen Sender 7 und einen Empfänger 8 aufweist sowie mit einem Lasermeßstrahl 9 arbeitet. Der Übersichtlichkeit halber ist nur ein Triangulationssensor eines Triangulationssensorenpaares dargestellt. Der dargestellte Triangulationssensor fährt die rechte Kante der Spurführungsschiene ab. Der zugeordnete, aber nicht dargestellte, zweite Triangulationssensor fährt die linke Kante der Spurführungsschiene ab. Seine Funktionsweise ist analog. Der Triangulationssensor 6 ist im Bereich des zu führenden Laufrades vor dem Laufrad an dem Fahrzeug befestigt. In der Fig. 2 erkennt man, daß der Lasermeßstrahl 9 an der Führungsspur 10 reflektiert wird und über Reflexion in dem Empfänger 8 Ja-Impulse erzeugt. Aus der Fig. 3 entnimmt man, daß der Lasermeßstrahl 9 bei spurfremdem Lauf des zu steuernden Laufrades am Fahrzeug wegen fehlender Reflexion Nein- Impulse erzeugt. Der Informationsgehalt dieser Nein-Impulse ist der, daß das Laufrad nicht ausreichend spurtreu läuft. Wie oben beschrieben, kann nur einer der beiden Triangulationssensoren eines Triangulationssensorenpaares Nein-Impulse erzeugen. Der Informationsgehalt der Angabe von welchem der beiden Triangulationssensoren Nein-Impulse geliefert werden, ist der, in welche Richtung das Laufrad nicht ausreichend spurtreu läuft. Auf diese Weise findet die Differenzierung Linkskurve/Rechtskurve statt. Nach Maßgabe der Nein-Impulse von einem Triangulationssensorenpaar wird über eine Steuerstrecke mit Stellmotor 11 der spurtreue Lauf des entsprechenden Laufrades eingestellt. Die Fig. 4 zeigt solche Stellmotoren an einzeln aufgehängten Laufrädern 12 mit Gelenkaufhängung 13. Die Steuerimpulse werden über Leitung 14 eingeleitet.

In der Fig. 5 werden zur weiteren Erläuterung der Erfindung in schematischer Darstellung drei logische Zustände eines Triangulationssensorenpaares dargestellt. Man erkennt in Fig. 5a, b, c, in Draufsicht eine Führungsspur 10, die gleichzeitig die Lauffläche für das Laufrad 12 ist. Die Fahrtrichtung ist durch einen Pfeil angegeben. In Fahrtrichtung vor dem Laufrad 12 ist am Fahrzeug das Triangulationssensorenpaar, bestehend aus den Triangulationssensoren 6a und 6b, angeordnet. Jeder Triangulationssensor 6a und 6b weist einen Sender 7a, 7b und einen Empfänger 8a, 8b auf.

In Fig. 5a ist beispielhaft ein spurtreuer Lauf bei Geradeausfahrt dargestellt. Beide Sender 7a, 7b und beide Empfänger 8a, 8b befinden sich über der Führungsspur 10 und beide Triangulationssensoren liefern aufgrund der Reflexion Ja- Impulse. Hierdurch wird ein spurtreuer Lauf signalisiert und eine Schwenkbewegung von Laufrädern findet nicht statt.

In Fig. 5b ist beispielhaft ein spurfremder Lauf, und zwar beim Einlauf in eine Rechtskurve dargestellt. Entsprechend dem Gesagten liefert der Triangulationssensor 6a Nein-Impulse und der Triangulationssensor 6b Ja-Impulse. Durch diese Impulskombination von dem Triangulationssensorenpaar wird das Laufrad 12 über die Steuerstrecke nach rechts geschwenkt.

In Fig. 5c ist beispielhaft ein weiterer spurfremder Lauf, und zwar beim Einlauf in eine Linkskurve dargestellt. Der Triangulationssensor 6a liefert nun Ja-Impulse, während der Triangulationssensor 6b Nein-Impulse abgibt. Durch diese gegenüber der Darstellung 5b gleichsam umgekehrte Impulskombination von dem Triangulationssensorenpaar wird das Laufrad 12 über die Steuerstrecke nach links geschwenkt.

In Fig. 6 werden beispielhaft einige zweckmäßige Anordnungen des Stellmotors 11 und des Triangulationssensorenpaares 6 dargestellt. Man erkennt in Draufsicht die Schiene 1, auf der das Laufrad 12 in der durch einen Pfeil angedeuteten Laufrichtung läuft. Das Laufrad 12 ist auf der Radachse 16 mit einem Radlager drehbar gelagert. Die Radachse 16 ist fest mit dem Schienenbremsträger 17 verbunden, welcher mit dem Vertikallager 15 gegenüber dem Fahrwerksrahmen 18 schwenkbar gelagert ist. Ein Triangulationssensorenpaar 6 ist in Fahrtrichtung vor dem Laufrad 12 an dem Schienenbremsträger 17 befestigt und fährt die Schiene 1 ab. Nach Maßgabe der Steuerimpulse, die das Triangulationssensorenpaar 6 liefert, wird der Schienenbremsträger 17 und somit das Laufrad 12 mittels eines Stellmotors 11 auf spurtreuen Lauf geschwenkt. Mit einer Schwenkbewegung des Laufrades 12wird auch das Triangulationssensorenpaar 6 um die Vertikalachse 15 geschwenkt. Alternative Anordnungen von Stellmotor und Triangulationssensorenpaar 6 sind strichpunktiert dargestellt. Es liegt aber ebenso im Rahmen der Erfindung, Triangulationssensorenpaar 6 fest an dem Fahrwerksrahmen oder an dem Fahrzeug anzuordnen.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur Spurführung der Laufräder eines schienengebundenen Fahrzeuges nach Maßgabe von zumindest einer Spurführungsschiene und zumindest einer Führungsspur, die bei der Bewegung des Fahrzeuges abgefahren wird, wobei die Spurführung nach Maßgabe von Steuerimpulsen erfolgt und die Steuerimpulse die Laufräder um vertikale Achsen schwenken, dadurch gekennzeichnet, daß die Spurführungsschiene von optoelektrischen Triangulationssensorenpaaren abgefahren wird, wobei jeder Triangulationssensor einen Sender und einen Empfänger aufweist sowie mit einem Lasermeßstrahl arbeitet und wobei die Triangulationssensorenpaare in dem Bereich der zu führenden Laufräder vor den Laufrädern an dem Fahrzeug befestigt sind, daß der Lasermeßstrahl bei spurtreuem Lauf der zu steuernden Laufräder am Fahrzeug an der Führungsspur reflektiert wird und über Reflexion in dem Empfänger Ja-Impulse erzeugt, daß der Lasermeßstrahl bei spurfremdem Lauf der zu steuernden Laufräder am Fahrzeug wegen fehlender Reflexion Nein-Impulse erzeugt und daß die Laufräder nach Maßgabe der Impulse zumindest eines Triangulationssensorenpaares über zumindest einen Stellmotor auf den spurtreuen Lauf eingestellt werden.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufräder des schienengebundenen Fahrzeuges einzeln steuerbar aufgehängt und einzeln oder gegenüberliegend paarweise durch Triangulationssensorenpaare laufgesteuert werden.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß als Spurführungsschiene zumindest eine der ohnehin vorhandenen Lauf schienen und als Führungsspur deren Lauffläche eingesetzt wird.
  4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Triangulationssensorenpaar paarweise gegenüberliegende Laufräder laufsteuert, wobei ein Triangulationssensor die rechte Kante einer Spurführungsschiene abfährt und der zweite Triangulationssensor die linke Kante einer Spurführungsschiene abfährt.
  5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Triangulationssensorenpaar die Laufräder einzeln laufsteuern, wobei ein Triangulationssensor die rechte Kante einer Spurführungsschiene abfährt und der zweite Triangulationssensor die linke Kante einer Spurführungsschiene abfährt.






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