Verfahren zur Neigung und/oder Positionierung eines auf einem Wagenkasten angeordneten Stromabnehmers

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Neigung und/oder Positionierung eines auf einem Wagenkasten angeordneten Stromabnehmers.

Ein derartiger, auf einem Wagenkasten neigbar angeordneter Stromabnehmer ist durch die EP 0 436 993 AI bekannt. Im be¬ kannten Fall ist der Stromabnehmer über Hydraulikleitungen mit dem hydraulischen Stellantrieb für die Neigung des Wagen¬ kastens verbunden. Der Stromabnehmer bewegt sich mittels Rollen auf einer Schiene, die eine Kreisbahn mit einem Radius bildet, wobei der Mittelpunkt der Kreisbahn mit dem Neigepol des Wagenkastens zusammenfällt. Die Rückstellung des Stromab¬ nehmers erfolgt während der Neigung des Wagenkastens gegen¬ über der Wiege des Drehgestells und ist damit an den Neige- Vorgang des Wagenkastens gekoppelt. Der Stromabnehmer wird damit auch nur gegenüber der Wiege zurückgeführt. Die bei Kurvenfahrt durch die Fliehkraft erzeugte Wankbewegung des Wagenkastens, die zum Neigevorgang des Wagenkastens gegen¬ läufig ist, wird hierbei nicht berücksichtigt.

In der DE 44 04 434 AI wird ein Verfahren beschrieben, mit dem der Kontakt der Stromabnehmerschleifleiste zum Fahrdraht verbessert werden soll. Die aktive Regelung bezieht sich da¬ bei ausschließlich auf vertikale Kräfte und vertikale Bewe- gungen des Stromabnehmers.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Neigung und/oder Positionierung eines auf einem Wagenkastens angeordneten Stromabnehmers zu schaffen, das unabhängig von einer Neigung und/oder einer Wankbewegung des Wagenkastens eine schnelle und genaue Ausrichtung des Stromabnehmers in seine gewünschte Neigung und/oder Position erlaubt.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des An¬ spruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Neigung und/oder Po¬ sitionierung eines auf einem Wagenkasten angeordneten Strom¬ abnehmers wird wenigstens ein Rollwinkel-Istwert α _wκ zwischen dem Wagenkasten und der Gleisebene sowie wenigstens ein Nei¬ gewinkel-Istwert α _stA für den Stromabnehmer relativ zum Wa- genkasten ermittelt. Aus dem Rollwinkel-Istwert α _wκ und dem Neigewinkel-Istwert α _stA wird wenigstens ein Stellsignal für wenigstens eine Stelleinrichtung des Stromabnehmers erzeugt.

Das Verfahren nach Anspruch 1 ist sowohl für Schienenfahr- zeuge mit einer Neigeeinrichtung als auch für Schienenfahr¬ zeuge ohne Neigeeinrichtung geeignet. Schienenfahrzeuge, deren Wagenkästen nicht gegenüber ihren Fahrwerken geneigt werden, führen aufgrund der Fahrzeugfederung nur Wankbewegun¬ gen aus. Diese führen jedoch bei Kurvenfahrten ebenfalls zu einer Lageänderung des Stromabnehmers. Abhängig von der Art des Schienenfahrzeugs kann der Rollwinkel-Istwert α _wκ entwe¬ der - bei nicht neigbaren Wagenkästen - nur den Wankwinkel (Rollwinkel der Primärfederung α _prim und der Sekundärfederung α _sek ) oder - bei vernachlässigbarem Wankwinkel - nur den Nei- gewinkel α _N des Wagenkastens gegenüber dem Fahrwerk umfassen. Bei den meisten Anwendungen wird jedoch der Rollwinkel-Ist¬ wert α _wκ sowohl den Neigewinkel α _κ des Wagenkastens gegenüber dem Fahrwerk als auch den Wankwinkel umfassen.

Weiterhin können mit dem Verfahren nach Anspruch 1 auch Ab¬ weichungen der Stromabnehmerlage aufgrund der Querverschie¬ bung des Wagenkastens korrigiert werden.

Die Ausrichtung des Fahrdrahts erfolgt stets relativ zur Gleisebene, so daß Gleisüberhöhungen bereits berücksichtigt sind. Abweichungen des Stromabnehmers von der gewünschten Ausrichtung und Lage treten deshalb nur dann auf, wenn sich

der Wagenkasten gegenüber der Gleisebene neigt bzw. das Fahr¬ zeug wankt. Der hierbei auftretende Rollwinkel-Istwert α _wκ wird erfindungsgemäß zur Verstellung des Stromabnehmers ge¬ nutzt. Im Gegensatz zu den bisher bekannten Verfahren ist im Rollwinkel-Istwert α _wκ sowohl die Neigebewegung des Wagenka¬ stens als auch die Wankbewegung des Fahrzeugs enthalten.

Da bei dem Verfahren gemäß Anspruch 1 der Stromabnehmer nicht fest mit dem Fahrwerk verbunden sein muß, ist die momentane Neigung und/oder Lage des Stromabnehmers zur Fahrdrahtebene zu ermitteln. Dies erfolgt erfindungsgemäß durch die Ermitt¬ lung des Neigewinkel-Istwertes α _stA zwischen dem Wagenkasten und dem Stromabnehmer, da der Neigewinkel-Istwert α _stA durch die Stelleinrichtung direkt beeinflußt werden kann.

Mit den ermittelten Größen Rollwinkel-Istwert α _wκ und Neige- winkel-Istwert α _stA läßt sich durch ein Verfahren nach An¬ spruch 2 und/oder Anspruch 3 eine Ausrichtung des Stromab¬ nehmers lotrecht zum Gleis auch dann erreichen, wenn das Fahrzeug neben einer Neigebewegung auch eine Wankbewegung ausführt, wobei der Wankpol des Fahrzeugs nicht mit dem Nei¬ gepol des Wagenkastens übereinstimmen muß. Eine Ausrichtung des Stromabnehmers lotrecht zum Gleis läßt sich m einfacher Weise dadurch erreichen, daß die Neigung und/oder Position des Stromabnehmers durch die Stelleinrichtung so eingestellt wird, daß der Neigewmkel-Istwert α _ΞtA gleich dem Rollwinkel- Istwert α _wκ wird. Da der Rollwinkel-Istwert α _wκ unabhängig von der Stellbewegung des Stromabnehmers ist, wird dieser Wert bei dem Verfahren nach Anspruch 2 vorteilhaft als regelungs- technischer Sollwert verwendet.

Fallen der Wankpol des Fahrzeugs und der Neigepol des Wagen¬ kastens nicht zusammen, so führt die Ausrichtung des Stromab¬ nehmers lotrecht zum Gleis bei einfachen Ausführungen der Stelleinrichtung (gestattet im wesentlichen nur Drehbewegun¬ gen) zu einem im allgemeinen geringen Versatz der Stromabneh¬ mer-Mittenlage zur Mitte der Fahrdrahtebene. Diese Abweichung

kann durch eine entsprechende Ausführung der Konstruktion minimiert werden.

Eine Ausrichtung der Stromabnehmer-Mittenlage auf die Mitte oder nahezu die Mitte der Fahrdrahtebene unter Berücksichti¬ gung der Wankbewegung des Fahrzeugs ist mit regelungstechni¬ schen Mitteln auch bei einfachen Ausführungen der Stellein¬ richtung (die im wesentlichen nur eine Drehbewegung des Stromabnehmers ermöglicht) möglich. Dazu kann der gemäß An- spruch 2 als regelungstechnischer Sollwert verwendete Roll¬ winkel-Istwert α _wκ um einen Zusatzsollwert α _FD ergänzt werden. α _FD ist dabei der Winkel zwischen dem Lot auf die Gleisebene und der Geraden durch die Mitte der Fahrdrahtebene und durch den Neigepol des Stromabnehmers. Die genaue Bestimmung des Zusatzsollwertes α _FD erfordert neben der Kenntnis von Fahr¬ zeugdaten auch die Kenntnis der Fahrdrahthöhe. Ist diese nicht genau bekannt, kann als Schätzwert auch eine mittlere Fahrdrahthöhe verwendet werden. Damit erfolgt die Ausrichtung des Stromabnehmers allerdings nur nahezu zur Mitte der Fahr- drahtebene. Ähnlich können auch Querverschiebungen des Wagen¬ kastens ausgeglichen werden.

Der Rollwinkel-Istwert α _wκ beinhaltet sowohl die Neigebewe¬ gung des Wagenkastens als auch die Wankbewegung des Fahr- zeugs. Definitionsgemäß kann er sehr einfach aus der Diffe¬ renz zwischen dem Istwert der Absolutneigung φ _wκ und dem Gleisneigungswinkel φ _Gleis ermittelt werden. Dieses Verfahren gemäß Anspruch 5 ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn Fahrzeuge mit Neigetechnik bereits für die Wagenkastenneigung mit entsprechenden Lagesensoren ausgerüstet sind.

Häufig wird auf Fahrzeugen mit Neigetechnik nicht der Gleis- neigungswinkels φ _Gle i _s sondern der Absolutwinkel φ _DG des Dreh¬ gestells gemessen, da hier die Stoßbeanspruchung der Sensoren aufgrund der Primärfederung geringer ist. In diesem Fall kann der Gleisneigungswinkels φ _G ι _eis - wie in Anspruch 6 beschrie¬ ben - vorteilhaft gemäß der Beziehung

Φdeis ~ ΨDG ^{+ α} pπm

ermittelt werden. Wird der Wankwinkel der Primärfederung nicht direkt gemessen, so kann aus der Messung der Querbe¬ schleunigung a _g in Gleisebene ein Schätzwert für α _prιra be¬ stimmt werden. Die Querbeschleunigung a _g in Gleisebene ist mit relativ einfachen Mitteln zu messen und steht bei Fahr¬ zeugen mit Wagenkastenneigung meist zur Verfügung. Gegebenenfalls kann auch die Dynamik der Wankbewegung im Schätzwert berücksichtigt werden.

Äquivalent zur Bestimmung des Rollwinkels α _prιm kann auch der Rollwinkel α _sek der Sekundärfederung entweder gemessen oder aus der Querbeschleunigung a _q in Gleisebene ermittelt werden. Dies ist erforderlich, falls der Absolutwinkel des Drehge¬ stells nur bezüglich des Pendelträgers (Wiege des Drehge¬ stells) , d.h. oberhalb der Sekundärfederung, gemessen werden kann.

Steht der Absolutwinkel φ _wκ des Wagenkastens oder der Abso¬ lutwinkel φ _Gle i _S der Gleislage bzw. der Absolutwinkel φ _DG des Drehgestells nicht zur Verfügung, weil entweder keine ent¬ sprechende Meßvorrichtung vorgesehen ist oder weil die Meßsi- gnale der Absolutwinkel gestört sind, so kann der erforderli¬ che Rollwinkel-Istwert α _wκ gemäß Anspruch 8 auch aus dem Nei¬ gewinkel α _N des Wagenkastens ermittelt werden. Die dazu er¬ forderlichen Rollwinkel α _prim und α _sek der Primärfederung und der Sekundärfederung können wie oben beschrieben ermittelt werden. Mit der Bestimmung des Rollwinkel-Istwertes α _wκ gemäß Anspruch 8 steht ein redundantes Verfahren zur Ermittlung des Rollwinkel-Istwertes α _wκ zur Verfügung, was zu einer Erhöhung der Verfügbarkeit und Sicherheit der Stromabnehmerneigung und/oder Stromabnehmerpositionierung führt.

Bei Fahrzeugen ohne Wagenkastenneigung ist der Neigewinkel α _N = 0, so daß mit dem obengenannten Verfahren ein Ausgleich

allein des Wankwinkels möglich ist. Für den Ausgleich des Wankwinkels ist nur die Ermittlung des Rollwinkels α _prim der Primärfederung und des Rollwinkels α _sek der Sekundärfederung erforderlich. Meßeinrichtungen für die Winkel φ _wκ , φ _Gleis , φ _DG oder α _N sind für den Ausgleich nur des Wankwinkels nicht un¬ bedingt erforderlich, da Schätzwerte aus der Querbeschleuni¬ gung a _q in Gleisebene, wie oben beschrieben, im allgemeinen ausreichend sind.

Der für die Neigung und/oder Positionierung des Stromabneh¬ mers erforderliche Neigewinkel-Istwert α _stA des Stromabnehmers kann mit verschiedenen Methoden gemessen werden. Vorteilhaft zieht man zur Bestimmung des Neigewinkel-Istwerts α _stA des Stromabnehmers die Auslenkung der Stelleinrichtung des Strom- abnehmers heran (Anspruch 10) , da entsprechende Meßeinrich¬ tungen in einfacher Weise in die Stelleinrichtung integriert werden können (z.B. elektrischer Stellantrieb mit integrier¬ tem Lagemeßsystem) . Alternativ kann zur Bestimmung des Neige¬ winkel-Istwerts α _stA des Stromabnehmers auch direkt die Lage des Trägers des Stromabnehmers bestimmt werden (Anspruch 11) . Da es sich hierbei um eine direkte Messung der Stromabnehmer- Lage handelt, ist auch bei Fehlern in der Stelleinrichtung eine sichere Bestimmung des Neigewinkel-Istwertes α _stA gewähr¬ leistet. Aus Sicherheits- und Redundanzgründen kann es sich auch als zweckmäßig erweisen, beide Meßverfahren gleichzeitig einzusetzen.

Die zur Neigung und/oder Positionierung des Stromabnehmers erforderlichen Stellsignale können aus den Daten der Stell- Vorrichtung, dem Rollwinkel-Istwert α _wκ , dem Istwert der Ab- solutneigung φ _wκ des Wagenkastens sowie dem Neigewinkel-Ist¬ wert α _stA des Stromabnehmers näherungsweise direkt berechnet werden. Überlagert man dem gemäß Anspruch 2 erzeugten Stell- signal vorsteuernd die nach Anspruch 12 bestimmten Stellsi- gnale, so können dynamische und stationäre Abweichungen von der gewünschten Stromabnehmerläge reduziert werden, da durch

die Vorsteuerung die im allgemeinen dynamisch langsameren Regeleinrichtungen von Führungsaufgaben entlastet werden.

Die zur Ermittlung des Rollwinkel-Istwerts α _wκ eingesetzten Meßverfahren werden im allgemeinen eine mehr oder weniger große Verzögerung aufweisen, die das dynamische Verhalten des Stellsystems beinflußt, d.h. zu dynamischen Abweichungen von der gewünschten Stromabnehmerneigung bzw. Stromabnehmerposi¬ tion führt. Diese Probleme können verringert werden, wenn zu- sätzlich zum Rollwinkel-Istwert α _wκ auch der Rollwinkel-Soll¬ wert ct* _wκ der Wagenkasten-Neigeregelung und/oder der Sollwert φ _wκ ^* für die Absolutneigung des Wagenkastens zur Bildung des Stellsignals herangezogen wird (Anspruch 13) , da im Sollwert keine Verzögerungen durch Meß- und/oder Filtereinrichtungen wirksam sind. Bei Verwendung des Rollwinkel-Sollwerts α* _wκ muß das Zeitverhalten der Wagenkastenneigung in geeigneter Weise berücksichtigt werden.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der ein Ausführungsbeispiel des erfin¬ dungsgemäßen Verfahrens an einem im Querschnitt gezeigten Wa¬ gen eines Schienenfahrzeugs schematisch dargestellt ist.

In der Zeichnung ist mit 1 ein Wagen eines Schienenfahrzeugs bezeichnet, der ein Gleis 2 befährt. Der Wagen 1 umfaßt einen Wagenkasten 3 , der gegenüber zwei Pendelträgem 4 oder der¬ gleichen (z.B. zwei Wiegen) quer zur Fahrtrichtung schwenkbar ist. Von den beiden Pendelträgern 4 ist in der Zeichnung nur der in Fahrtrichtung vordere Pendelträger sichtbar.

Jeder Pendelträger 4 ist über eine Sekundärfederung 5 auf einem als Drehgestell ausgebildeten Fahrwerk 6 abgestützt. Im Drehgestell 6 sind zwei Radpaare 7 angeordnet, von denen in der Zeichnung nur ein Radpaar 7 sichtbar ist.

Die Radpaare 7 sind über Primärfederungen 8 federnd in den Drehgestellen 6 gehalten.

Zwischen den Pendelträgern 4 und dem Wagenkasten 3 ist eine aktive Neigemechanik 9 angeordnet, durch die der Wagenkasten 3 gegenüber den Pendelträgern 4 geneigt werden kann.

Bei einer Kurve ist die kurvenäußere Schiene 2a gegenüber der kurveninneren Schiene 2b, die m der Erdhorizontalen 10 liegt, überhöht. Die Gleisebene 11 ist damit um einen Gleiε- neigungswinkel φ _GleιΞ gegenüber der Erdhorizontalen 10 ge¬ neigt . Bei Kurvenfahrt neigt sich das Drehgestell 6 gegenüber den Radpaaren 7 jeweils um einen Rollwinkel α _prιm der Primärfede¬ rung 8 nach Kurvenaußen. Gleichzeitig neigt sich der Pendel- träger 4 gegenüber dem Drehgestell 6 um einen Rollwinkel α _sek der Sekundärfederung 5 ebenfalls nach Kurvenaußen.

Der Gleisneigungswinkel φ _G ι _eιs läßt sich damit aus der Bezie¬ hung φGleis = ΦDG + ^α pππ>

ermitteln.

Weiterhin wird der Neigewinkel α _N zwischen dem Wagenkasten 3 und dem Pendelträger 4 gemessen (α _N findet sich damit eben¬ falls zwischen dem Lot 16 auf den Pendelträger 4 und der Mit- telsenkrechten 18 des Wagenkastens 3) .

Auf dem Wagenkasten 3 ist ein Stromabnehmer 12 angeordnet, der über eine aktive Neigemechanik 19 gegenüber dem Wagenka¬ sten geneigt und/oder verschoben werden kann. Bei geneigtem Wagenkasten 3 wird der Stromabnehmer 12 mittels der Neigeme¬ chanik 19 um einen Neigewinkel-Istwert α _stA relativ zum Wa¬ genkasten 3 geneigt . Der Neigepol NP des Stromabnehmers 12 muß dabei nicht unbedingt mit dem Neigepol des Wagenkastens 3 übereinstimmen.

Die Neigung des Wagenkastens 3 gegenüber der Erdhorizontalen 10 ist durch den Istwert der Absolutneigung cp _wκ des Wagenka-

stens 3 gegeben. Die Gleisebene 11 ist gegenüber der Erdhori¬ zontalen 10 um den Gleisneigungswmkel φ _G ι _eιs geneigt Da der Gleisneigungswmkel φ _G ι _ei3 in der Absolutneigung φ _wκ des Wagen¬ kastens 3 enthalten ist, ergibt sich der Rollwinkel-Istwert α _wκ zwischen Wagenkasten 3 und Gleisebene 11 aus der Bezie¬ hung

^α WK ⁼ ΦWK ~ ΦGleis

Der Rollwinkel-Istwert α _wκ setzt sich zusammen aus dem Neige- wmkel α _N des Wagenkastens 3, der sich aufgrund der Neigung des Wagenkastens 3 mittels der aktiven Neigemechanik 9 er¬ gibt, und den Rollwinkeln α _prιm und cc _sek der Primär- und Sekur- darfederung, die sich aufgrund der Wankbewegung des Wagenka- stens 3 nach Kurvenaußen ergibt. Für den Rollwinkel-Istwert α _wκ gilt deshalb auch die Beziehung

^α WK ^{= α} N ^{" α} pπm ^{" α} aek

Ist der Wagenkasten 3 um den Rollwinkel-Istwert α _wκ gegenüber der Gleisebene 11 geneigt, so ist die Wagenkastenmitte 18 gegenüber dem Lot 14 und 15 auf die Gleisebene 11 ebenfalls um den Rollwinkel-Istwert α _wκ geneigt.

Wird die Neigung des Stromabnehmers 12 mittels der Neigeme¬ chanik 19 des Stromabnehmers 12 so eingestellt, daß der Nei¬ gewinkel-Istwert α _stA des Stromabnehmers 12 gleich dem Roll¬ winkel-Istwert α _wκ des Wagenkastens 3 wird, so ist der Strom¬ abnehmer 12 lotrecht zur Gleisebene 11 und damit auch lot- recht zur Fahrdrahtebene ausgerichtet.

Für den dazu erforderlichen Neigewinkel Sollwert α _stA ^* der Neigung des Stromabnehmers 12 gilt gemäß obigen Gleichungen die Beziehung

ΦWK (φ DG ^{+ α} prιm)

= α _κ α, pπm α sek

Fallen der Wankpol WP des Wagens 1 und der Neigepol NP des Stromabnehmers 12 nicht zusammen, so tritt, bei Ausrichtung des Stromabnehmers 12 lotrecht zur Gleis- bzw. Fahrdraht- ebene, zwischen der Mitte 17 des Stromabnehmers 12 und der Mitte 13 der Fahrdrahtebene eine im allgemeinen geringfügige Querverschiebung x^^ auf. Durch eine zusätzliche Neigung des Stromabnehmers 12 um den Winkel α _FD kann diese Abweichung ebenfalls korrigiert werden.

Die Primärfederung 8 und die Sekundärfederung 5 können auch zu einer Querverschiebung des Wagenkastens 3 gegenüber der Gleisebene 11 führen. Die dadurch bedingte zusätzliche Quer¬ verschiebung der Stromabnehmermitte gegenüber der Mitte der Fahrdrahtebene können, falls erforderlich, über einen weite¬ ren Zusatzwinkel korrigiert werden.

Alternativ kann zur Korrektur der Querverschiebung x^.. die Neigemechanik 19 auch so ausgeführt werden, daß zusätzlich zur Neigebewegung des Stromabnehmers 12 auch eine Querver¬ schiebung des Stromabnehmers 12 möglich ist.