Bezeichnung der Erfindung: System, Verfahren und Tragelement zur aktiven Dämpfung akustischer Schwingungen einer Schiene für den Schienenverkehr

Technisches Gebiet

[1] Die Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zur aktiven Dämpfung akustischer Schwingungen einer Schiene für den Schienenverkehr sowie ein Tragelement für eine Schiene für den Schienenverkehr zur aktiven Dämpfung akustischer Schwingungen der Schiene mit dem System.

Stand der Technik

[2] Viele Eisenbahnstrecken durchqueren lärmempfindliche Gebiete, beispielsweise Städte. Besonders in der Nacht, wenn viele Güterzüge unterwegs sind, kommt es zu einer erheblichen Lärmbelastung für die dort lebenden Menschen. Es wurde sogar festgestellt, dass der Schienenverkehrslärm medizinische Beschwerden verursacht.

[3] Im für die meisten Zugfahrten relevanten Geschwindigkeitsbereich von etwa 40 km/h bis etwa 280 km/h wird die Geräuschemission von Zugfahrten hauptsächlich durch das am Rad-Schiene-Kontakt entstehende Rollgeräusch bestimmt. Rollgeräusche werden beim Abrollen der Räder auf dem Schienenfahrweg erzeugt. Die durch das Materialgefüge, Verschleiß und Korrosion bestimmte Oberflächen- und Strukturunregelmäßigkeiten der Schienen- und Radfahrflächen verursacht beim Abrollen überwiegend vertikale Anregungen der Radsätze und Schienen, welche diese zu Schwingungen anregen, die als Luftschall in die umgebende Luft und als Körperschall an den Unterbau der Schienen abgegeben werden.

[4] Durch Schienenstöße, Herzstücke, Flachstellen sowie Auftragungen der Schienen kommt es zu weiteren impulshaften Geräuschen, die dem Rad-Schiene-System zuzuordnen sind.

[5] Es gibt bereits einige passive Lösungsansätze auf dem Markt, wie z.B. Abdeckungen für die Schienen selbst, um die Übertragung von Luftschall zu reduzieren, oder Dämpfunterlagen unter Schienen oder Schwellen, um diese Teile vom Boden zu entkoppeln, um die Übertragung von Körperschall an den Unterbau der Schienen zu reduzieren. Außerdem gibt es auch Systeme, die in jedes Rad eines Eisenbahnwagens eingebaut werden, um Lärm verursachende Vibrationen an den Rädern selbst zu reduzieren.

[6] Die genannten passiven Systeme können den freigesetzten Schalldruckpegel jedoch nur um bis zu 3 dB(A) reduzieren, insgesamt ist jedoch je nach Zuggeschwindigkeit ein Schalldruckpegel von weit über 60 dB(A) zu bewältigen.

[7] Die Patentschrift EP 1 497 164 B1 beschreibt ein Verfahren zur Verminderung der Schallübertragung von Schienenfahrzeugen. Dabei erfasst mindestens ein Schwingungssensor die störenden, durch einen Radsatz erzeugten und/oder übertragenen Schwingungen. Eine Vorrichtung zur Frequenzanalyse der Signale des mindestens einen Schwingungssensors ermittelt Frequenzen mit den stärksten harmonischen Anregungen. Die Restschwingungen, die auf den Wagenkasten übertragen werden, werden mittels eines Fehlersensors gemessen. Sodann werden Ansteuersignale für mindestens einen Aktuator unter Berücksichtigung der Signale des mindestens einen Fehlersensors generiert. Der mindestens eine Aktuator minimiert die Restschwingungen, die auf den Wagenkasten übertragen werden.

[8] Die Patentschrift DE 19824 125 C1 offenbart ein Verfahren zur aktiven Unterdrückung von fahrwerksbedingten Schwingungsanregungen, insbesondere von Luftschallanregungen, im Fahrgastraum von Schienenfahrzeugen. Dabei sind Schwingungssensoren vorgesehen, die Schwingungen der Zwischengestelle oder des Wagenkastens oberhalb der Primärfedern erfassen. Weiter sind Aktuatoren vorgesehen, mit denen Ausgleichskräfte parallel zu den jeweils einem Scheibenrad zugeordneten Primärfedern aufbringbar sind. Dabei erzeugt eine Steuereinrichtung in Abhängigkeit von den Schwingungen Ansteuersignale für die Aktuatoren, die aus Frequenzanteilen mit einem oder mehreren ganzzahligen Vielfachen einer Drehfrequenz des Scheibenrads bestehen. Dabei legt die Steuereinrichtung die Phasen und Amplituden der jeweiligen Frequenzanteile jeweils so fest, dass die Schwingungen minimiert werden.

[9] Die Patentanmeldung DE 19842 345 A1 offenbart ein Schienenfahrzeug mit einem Wagenaufbau, an dem mindestens eine Schwingungsabsorbereinrichtung zur energieeffizienten Dämpfung von Schwingungen des Wagenaufbaus vorgesehen ist, wobei die Schwingfrequenz der Schwingungsabsorbereinrichtung abhängig von Steuersignalen wenigstens eines dem Wagenaufbau zugeordneten Schwingungssensors gesteuert ist. Die Schwingungsabsorbereinrichtung weist ein vorzugsweise als hydropneumatischer Aktuator ausgebildetes Feder- und Dämpferelement auf. Über den Aktuator ist eine passive Schwingungsabsorbermasse an den Wagenaufbau angekoppelt.

[10] Die genannten Druckschriften beschreiben Systeme zur Dämpfung von Schwingungen, insbesondere akustischen Schwingungen, des Wagenaufbaus von Eisenbahnwagen, wodurch es zu einer verminderten Schallemission der Eisenbahnwagen kommt. Die Systeme sind allesamt vollständig in die Eisenbahnwagen integriert, sodass eine wirksame Lärmreduzierung nur dann erreicht wird, wenn alle ein lärmempfindliches Gebiet passierenden Eisenbahnwagen mit den genannten Systemen ausgestattet sind. Eine Ausrüstung ganzer Eisenbahnflotten mit den genannten Systemen würde erhebliche Kosten verursachen.

Technische Aufgabe

[11] Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein kosteneffizientes System und Verfahren zur wirksamen Reduzierung von Lärmemissionen des Schienenverkehrs zu schaffen.

Technische Lösung

[12] Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung stellt ein System gemäß Anspruch 1 bereit, das die technische Aufgabe löst. Ebenso wird die Aufgabe durch ein Tragelement gemäß Anspruch 11 und ein Verfahren gemäß Anspruch 14 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Beschreibung der Ausführungsarten

[13] Die Erfindung betrifft ein System zur aktiven Dämpfung akustischer Schwingungen einer Schiene für den Schienenverkehr, umfassend mindestens einen Sensor zumindest zur Detektion einer akustischen vertikalen Schwingung der Schiene, mindestens einen Aktuator zumindest zur Anregung einer vertikalen Gegenschwingung der Schiene und mindestens einer kommunikativ mit dem mindestens einen Sensor und dem mindestens einen Aktuator verbundenen Steuereinheit zur Steuerung des mindestens einen Aktuators abhängig von der durch den Sensor detektierten Schwingung.

[14] Der Begriff „akustische Schwingung“ bezeichnet im Sinne der Erfindung eine Schwingung mit einer Frequenz im für Menschen hörbaren Frequenzbereich von

20 Hz bis 20 kHz, insbesondere im Frequenzbereich höchster Hörempfindlichkeit von 0,5 kHz bis 10 kHz. [15] Vorzugsweise umfassen die zumindest eine Schwingung und die zumindest eine Gegenschwingung jeweils ein, insbesondere zeitabhängiges, Schwingungsspektrum bzw. Gegenschwingungsspektrum mit jeweils einer Vielzahl voneinander unterschiedlicher Frequenzen und Amplituden.

[16] Die zumindest eine Schwingung der Schiene ist beispielsweise durch das Abrollen der Räder eines Schienenfahrzeugs auf der Schiene verursacht und bildet somit zusammen mit Schwingungen der Räder die Quelle für das Rad-Schiene-Geräusch des Schienenfahrzeugs.

[17] Der mindestens eine Sensor kann beispielsweise einen an der Schiene angebrachten piezoelektrischen Sensor, magnetischen Induktionssensor und/oder mikro-elektromechanischen Sensor umfassen. Das System kann einen als Fehlersensor ausgestalteten Sensor zur Messung einer während der Überlagerung der Schwingung mit der Gegenschwingung an ein Tragelement und/oder einen Unterbau der Schiene übertragenen Restschwingung umfassen. Mit Hilfe des Fehlersensors kann die Steuereinheit die Gegenschwingung vorteilhafterweise in einem geschlossenen Regelkreis regeln.

[18] Der mindestens eine Sensor und der mindestens eine Aktuator sind zumindest zur Detektion einer vertikalen Schwingung bzw. zur Anregung einer vertikalen Gegenschwingung ausgelegt, da Rad-Schiene-Geräusche in der Regel hauptsächlich von vertikalen Schwingungen des Rad-Schiene-Systems verursacht werden.

[19] Die mindestens eine Steuereinheit umfasst vorzugsweise ein Computergerät, beispielsweise ein Ein-Chip-System, ein eingebettetes Computersystem, eine speicherprogrammierbare Steuerung, einen Netzwerk-Client und/oder einen Netzwerk-Server. Die mindestens eine Steuereinheit kann mit dem mindestens einen Sensor und/oder dem mindestens einen Aktuator kabellos und/oder kabelgebunden kommunikativ verbunden sein.

[20] Die Gegenschwingung ist dazu eingerichtet, mit der detektierten Schwingung destruktiv zu interferieren. Durch eine Überlagerung mit der Gegenschwingung wird die Schwingung der Schiene somit nach dem Prinzip der aktiven Lärmkompensation gedämpft und eine Schallemission der Schiene verringert.

[21] Der mindestens eine Aktuator ist mechanisch an die Schiene und an ein relativ zu einem Unterbau der Schiene ortsfestes Gegengewicht gekoppelt. Der Begriff „Unterbau“ bezeichnet im Sinne der Erfindung die Gesamtheit der Konstruktionen, die die Schiene, insbesondere mittelbar über ein Gleisbett, statisch unterstützen. Dazu gehören neben den räumlichen Formen des Erdkörpers (z.B. Geländegleiche, Damm, Einschnitt und Anschnitt) auch eine Reihe von Kunstbauten (z. B. Stützmauern, Flügel- und Futtermauern, Brücken, Überführungsbauwerke und Durchlässe). Das Gegengewicht kann mit dem Unterbau mechanisch verbunden sein und/oder durch die Trägheit des Gegengewichts ortsfest fixiert sein. Durch die mechanische Verbindung mit dem Gegengewicht kann der Aktuator eine Gegenschwingung der Schiene relativ zu dem Unterbau erzeugen.

[22] Dadurch, dass der mindestens eine Aktuator an die Schiene gekoppelt ist und die Schwingung der Schiene dämpft, wird insbesondere eine Übertragung von Körperschall von der Schiene an den Unterbau und an dessen Umgebung, beispielsweise an nahegelegene Gebäude, verringert. Außerdem wird auch eine Emission von Luftschall von der Schiene reduziert, insbesondere wenn der Unterbau ein Brückenbauwerk umfasst, das von durch die Schiene abgegebenen Körperschall seinerseits zu Schwingungen angeregt werden kann.

[23] Eine Anordnung des mindestens einen Aktuators an der Schiene hat gegenüber einem vollständig in ein Schienenfahrzeug integrierten System den Vorteil, dass es für eine wirksame Lärmreduzierung in besonders betroffen Bereichen ausreicht, nur die dortigen Schienenabschnitte mit erfindungsgemäßen System auszustatten. Dadurch werden geringere Kosten verursacht, als wenn alle den Bereich passierenden Schienenfahrzeuge mit Systemen zur Lärmreduzierung ausgerüstet werden müssten.

[24] Außerdem wäre, wenn die Schienenfahrzeuge von unterschiedlichen Betreibern betrieben werden, eine konzertierte Aktion aller Betreiber notwendig, um alle Schienenfahrzeuge mit Systemen zur Lärmreduzierung auszurüsten. Demgegenüber liegt die Verantwortung für den Schienenabschnitt in der Regel bei einem einzigen Schienennetzbetreiber, sodass eine Ausstattung des Abschnitts mit erfindungsgemäßen Systemen einfach umzusetzen ist, als eine Ausrüstung aller Schienenfahrzeuge mit Systemen zur Lärmreduzierung.

[25] Der mindestens eine Aktuator umfasst vorzugsweise mindestens einen piezoelektrischen Aktuator. Ein piezoelektrischer Aktuator hat den Vorteil, dass er besonders wartungsarm und langlebig ist, was insbesondere für eine Anordnung an der Schiene vorteilhaft ist, um die im Verhältnis zu Schienenfahrzeugen längeren Wartungsintervalle der Schiene nicht zu verkürzen. [26] Der mindestens eine Aktuator ist vorzugsweise zur Anregung einer Gegenschwingung der Schiene in einem geeigneten Frequenzbereich, Amplitudenbereich und Leistungsbereich zur Kompensation typischer durch den Rad-Schiene-Kontakt von Schienenfahrzeugen erzeugten Schwingungen ausgelegt.

[27] Der mindestens eine Aktuator umfasst vorzugsweise mindestens einen gestapelten piezoelektrischen Aktuator. Indem mehrere gleichartige oder verschiedenartige piezoelektrische Aktuatoren zu einem gestapelten piezoelektrischen Aktuator kombiniert werden, kann der Frequenzbereich, Amplitudenbereich und/oder Leistungsbereich des Aktuators für die Anregung der Gegenschwingung besonders geeignet ausgelegt werden.

[28] Insbesondere kann durch eine variable Ansteuerung einzelner Aktuatoren eines gestapelten Aktuators der Frequenzbereich, Amplitudenbereich und/oder Leistungsbereich des gestapelten Aktuators im Betrieb des Systems dynamisch an die detektierte Schwingung angepasst werden.

[29] Das Gegengewicht umfasst vorzugsweise ein die Schiene tragendes Tragelement. Dadurch kann auf ein separates Gegengewicht verzichtet werden, sodass das System besonders kostengünstig und einfach installiert werden kann. Das Tragelement umfasst beispielsweise eine Bahnschwelle, ein Element, insbesondere einen Sockel, einer sogenannten festen Fahrbahn und/oder ein Element des Unterbaus der Schiene, worauf die Schiene verlegt ist.

[30] Der mindestens eine Aktuator verbindet vorzugsweise eine Unterseite der Schiene mechanisch mit dem Tragelement. An der Unterseite der Schiene ist eine besonders effiziente Ankopplung zur Erzeugung einer vertikalen Gegenschwingung möglich. Im einfachsten Fall liegt die Schiene direkt auf dem mindestens einen Aktuator auf.

[31] Das System umfasst vorzugsweise mindestens ein bezüglich einer Kraftübertragung zwischen der Schiene und dem Tragelement parallel zu dem mindestens einen Aktuator angeordnetes, Stützelement zur statischen Unterstützung der Schiene. Das Stützelement verhindert, dass der mindestens eine Aktuator durch eine Gewichtskraft der Schiene und gegebenenfalls eines Schienenfahrzeugs darauf überlastet wird.

[32] Das Stützelement kann beispielsweise eine Dämpfschicht aus einem, insbesondere faserverstärkten, Elastomer umfassen, wie sie beispielsweise als Besohlung oder Dämpfunterlage von Bahnschwellen verwendet wird. Die Dämpfschicht erlaubt eine von dem Aktuator angeregte Bewegung der Schiene und stellt durch eine endliche Kompressibilität einen minimalen Abstand zwischen der Schiene und dem Tragelement sicher, um den Aktuator vor einer Überlastung zu schützen.

[33] Außerdem verringert die Dämpfschicht eine Übertragung eines durch die Gegenschwingung nicht ausgelöschten Anteils der Schwingung der Schiene an das Tragelement. Weiterhin erlaubt es die Dämpfschicht, die Schiene mit Hilfe von Befestigungselementen auf den mindestens einen Aktuator vorzuspannen. Eine Vorspannung ist insbesondere bei einem piezoelektrischen Aktuator von Vorteil, da ein piezoelektrischer Aktuator in der Regel eine wesentlich höhere, beispielsweise zehnmal höhere, Kraft in Druckrichtung als in Zugrichtung ausüben kann. Die Vorspannung unterstützt eine Bewegung der Schiene in Zugrichtung des Aktuators und wirkt einer Bewegung der Schiene in Druckrichtung des Aktuators entgegen.

[34] Bezüglich einer Kraftübertragung zwischen dem mindestens einen Aktuator und dem Tragelement ist vorzugsweise ein Druckminderungselement zur Minderung eines von dem Aktuator auf das Tragelement ausgeübten Drucks angeordnet. Das Druckminderungselement erhöht beispielsweise eine Auflagefläche des Aktuators auf dem Tragelement und verringert dadurch den Druck. Das Druckminderungselement verringert eine mechanische Belastung des Tragelements, beispielsweise durch lokale Spannungskonzentrationen in dem Tragelement, und erhöht dadurch dessen Lebensdauer.

[35] Das Druckminderungselement umfasst beispielsweise eine Hülse, zum Beispiel aus einem Metallblech, in der der mindestens eine Aktuator zumindest teilweise in dem Tragelement angeordnet ist.

[36] Die Schiene ist vorzugsweise mit zumindest einem Befestigungselement an dem Tragelement befestigt. Das zumindest eine Befestigungselement umfasst beispielsweise eine Befestigungsklammer zum Anpressen der Schiene an das Tragelement und/oder einen aus dem Gleisbau bekannten Oberbau W, Oberbau K oder Oberbau KS.

[37] Vorzugsweise ist der mindestens eine Aktuator bezüglich einer Kraftübertragung zwischen der Schiene und dem Tragelement mit dem Befestigungselement in Reihe angeordnet, und/oder der Aktuator ersetzt das Befestigungselement. Eine Anordnung des mindestens einen Aktuators an dem Befestigungselement oder anstelle des Befestigungselements hat den Vorteil einer leichteren Zugänglichkeit als bei einer Anordnung an der Unterseite der Schiene, wodurch die Installation und Wartung des Aktuators und insbesondere eine Nachrüstung einer bestehenden Schiene mit dem Aktuator vereinfacht wird.

[38] Vorzugsweise ist mindestens ein Dämpfelement zur Dämpfung einer Schwingungsübertragung von der Schiene auf das Tragelement bezüglich einer Kraftübertragung zwischen der Schiene und dem Tragelement mit dem Befestigungselement in Reihe angeordnet, und/oder das Befestigungselement selbst ist, beispielsweise durch eine geeignete Form und/oder Materialwahl, zur Dämpfung einer Schwingungsübertragung von der Schiene auf das Tragelement ausgelegt.

[39] Das Dämpfelement kann beispielsweise eine Dämpfschicht aus einem, insbesondere faserverstärkten, Elastomer umfassen, wie sie beispielsweise als Besohlung oder Dämpfunterlage von Bahnschwellen verwendet wird. Die Dämpfschicht verringert eine Übertragung eines durch die Gegenschwingung nicht ausgelöschten Anteils der Schwingung der Schiene an das Tragelement.

[40] Wenn der mindestens eine Aktuator mit dem Befestigungselement in Reihe angeordnet ist, ist bevorzugt kein Dämpfelement mit dem gleichen Befestigungselement in Reihe angeordnet und das Befestigungselement selbst ist nicht schwingungsdämpfend ausgelegt, um eine Anregung der Schiene zu der Gegenschwingung durch den Aktuator nicht zu dämpfen.

[41] Der mindestens eine Sensor ist vorzugsweise zur Detektion einer horizontalen Schwingung der Schiene quer zu einer Längsachse der Schiene ausgelegt, und der mindestens eine Aktuator ist vorzugsweise zur Anregung einer horizontalen Gegenschwingung der Schiene quer zu einer Längsachse der Schiene ausgelegt. Dadurch können vorteilhafterweise zusätzlich zu vertikalen auch horizontale Schwingungen der Schiene quer zur Längsachse der Schiene aktiv gedämpft werden, um eine umfassende Lärmreduzierung, insbesondere in einer Kurve der Schiene, zu erreichen.

[42] Der mindestens eine Aktuator umfasst vorzugsweise zumindest einen ersten Aktuator mit einer ersten Bewegungsachse und einen zweiten Aktuator mit einer zweiten Bewegungsachse, wobei die erste Bewegungsachse und die zweite Bewegungsachse nicht parallel zueinander, bevorzugt orthogonal zueinander, ausgerichtet sind. Durch eine Überlagerung von Bewegungen der zwei Aktuatoren, und gegebenenfalls noch weiteren Aktuatoren, lassen sich Gegenschwingungen der Schiene in unterschiedlichen Richtungen, insbesondere horizontal quer zur Schiene und vertikal, anregen. Die zwei oder mehr Aktuatoren können als gestapelter Aktuator zusammengefasst sein.

[43] Der mindestens eine Sensor umfasst vorzugsweise zumindest einen ersten Sensor mit einer ersten Messachse und einen zweiten Sensor mit einer zweiten Messachse, wobei die erste Messachse und die zweite Messachse nicht parallel zueinander, bevorzugt orthogonal zueinander, ausgerichtet sind. Durch die zwei Sensoren, und gegebenenfalls noch weitere Sensoren, lassen sich Schwingungen der Schiene in unterschiedlichen Richtungen, insbesondere horizontal quer zur Schiene und vertikal, detektieren.

[44] Das System umfasst vorzugsweise mindestens eine Energieversorgungseinheit zur Versorgung des Systems mit Energie, wobei die Energieversorgungseinheit mindestens ein Energiegewinnungselement zur lokalen Energiegewinnung, bevorzugt mit einem Photovoltaikelement und/oder einem piezoelektrischen Element, und mindestens einen Energiespeicher, beispielsweise einen Akkumulator, zur Speicherung der mit dem Energiegewinnungselement gewonnenen Energie umfasst.

[45] Durch die Energieversorgungseinheit kann ein aufwändiger Anschluss des Systems an eine externe Energieversorgung, beispielsweise an ein städtisches Stromnetz oder an ein Bahnstromnetz, entfallen.

[46] Das Photovoltaikelement kann beispielsweise an einer Lärmschutzwand angeordnet sein. Das piezoelektrische Element kann beispielsweise zur Umwandlung von durch ein Schienenfahrzeug induzierten Schwingungen der Schiene in elektrische Energie an die Schiene gekoppelt sein.

[47] Das System umfasst vorzugsweise mindestens ein Übertragungselement zur Kraftübertragung zwischen dem mindestens einen Aktuator und der Schiene, wobei das Übertragungselement ein Umlenkelement zur Umlenkung einer Wirkrichtung der übertragenen Kraft, eine Getriebeelement zur Übersetzung der übertragenen Kraft und/oder eine Überlastsicherung zur Begrenzung der übertragenen Kraft umfasst.

[48] Mit Hilfe eines Umlenkelements, beispielsweise mit einem Hebelsystem und/oder einer Keilumlenkung, kann der mindestens eine Aktuator beispielsweise auf die Unterseite der Schiene wirken, ohne direkt unter der Schiene angeordnet sein zu müssen. Dadurch wird der Aktuator vor einer Überlastung, beispielsweise durch eine Gewichtskraft der Schiene und eines darauf fahrenden Schienenfahrzeugs, geschützt und ist leichter zugänglich, beispielsweise zur Installation, Wartung und/oder Nachrüstung. [49] Eine Überlastsicherung, beispielsweise eine Rutschkupplung, schützt den Aktuator ebenfalls vor einer Überlastung, beispielsweise durch eine Gewichtskraft der Schiene und eines darauf fahrenden Schienenfahrzeugs.

[50] Das Übertragungselement kann insbesondere zur mechanischen Ankopplung mehrerer Aktuatoren, beispielsweise mit voneinander unterschiedlichen Bewegungsachsen, an die Schiene ausgelegt sein.

[51] Ein besonderer Vorteil des Systems liegt darin, das es, beispielsweise durch eine Anordnung des zumindest einen Aktuators und des zumindest einen Sensors unter der Schiene, so ausgestaltet sein kann, dass es übliche Wartungsarbeiten an der Schiene, beispielsweise ein Abschleifen einer Oberseite der Schiene oder einen Austausch der Schiene, nicht behindert. Darin unterscheidet sich das System beispielsweise von bekannten Systemen zur Lärmreduzierung, bei denen Schallabsorber direkt an der Schiene angebracht werden.

[52] Die Erfindung betrifft ein Tragelement für eine Schiene für den Schienenverkehr zur aktiven Dämpfung akustischer Schwingungen der Schiene mit einem erfindungsgemäßen System und ein erfindungsgemäßes System mit einem solchen Tragelement.

[53] Das Tragelement umfasst beispielsweise eine Bahnschwelle zur Verlegung der Schiene auf einem Schotterbett oder ein Element, insbesondere einen Sockel, einer sogenannten festen Fahrbahn zur Verlegung der Schiene. Das Tragelement kann insbesondere Merkmale fachüblicher Bahnschwellen oder Elemente der festen Fahrbahn, beispielsweise bezüglich Form, Maßen, Materialzusammensetzung und/oder Befestigungselementen für die Schiene, aufweisen. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass das Tragelement mit fachüblichen Vorrichtungen und Verfahren, insbesondere mit einem automatisierten Schienenbauzug, schnell und kostengünstig eingebaut und ausgebaut werden kann.

[54] Der mindestens eine Aktuator des Systems ist vorzugsweise zumindest teilweise in das Tragelement integriert, beispielsweise unter der Schiene in einer Vertiefung des Tragelements angeordnet. Darüber hinaus können auch weitere Bestandteile des Systems, beispielsweise der mindestens eine Sensor, die mindestens eine Steuereinheit, eine Versorgungseinheit und/oder Übertragungselement, zumindest teilweise in das Tragelement integriert sein. Durch eine Integration oder zumindest Teil-Integration des Systems in das Tragelement kann das System besonders einfach und schnell zusammen mit dem Tragelement installiert werden. [55] Das T ragelement umfasst bevorzugt zumindest einen Revisionszugang zur Wartung und/oder zum Austausch des mindestens einen Aktuators in einem die Schiene tragenden Einbauzustand des Tragelements. Der Revisionszugang umfasst beispielsweise eine verschließbare Öffnung an einer Oberseite des Tragelements neben der Schiene.

[56] Durch den Revisionszugang kann der zumindest eine Aktuator, und gegebenenfalls weitere in das Tragelement integrierte Bestandteile des Systems, gewartet, ausgetauscht oder nachgerüstet werden, ohne dafür das Tragelement oder die Schiene zu demontieren.

[57] Das Tragelement kann insbesondere zunächst ohne Komponenten des erfindungsgemäßen Systems in einem Schienenverkehrsweg montiert werden, um dort ohne nennenswerte Mehrkosten die Funktion eines fachüblichen Tragelements zu erfüllen. Bei Bedarf kann dann ein erfindungsgemäßen System mit geringem Aufwand nachgerüstet werden.

[58] Das T ragelements kann auch beispielsweise zunächst mit nur einem Aktuator zur Anregung einer vertikalen Gegenschwingung montiert und später mit einem weiteren Aktuator zur Anregung einer horizontalen Gegenschwingung nachgerüstet werden.

[59] Die Erfindung betrifft einen Schienenverkehrsweg mit zumindest einer Schiene, insbesondere zumindest zwei Schienen, umfassend mindestens ein erfindungsgemäßes System zur aktiven Dämpfung akustischer Schwingungen der zumindest einen Schiene.

[60] Das System umfasst vorzugsweise eine Anzahl, insbesondere eine Mehrzahl von entlang der Schiene voneinander beabstandeten, Sensoren und eine Vielzahl von entlang der Schiene voneinander beabstandeter Aktuatoren, wobei die Anzahl der Sensoren bevorzugt kleiner als die Vielzahl der Aktuatoren ist.

[61] Aufgrund der guten Schallleitung entlang der Schiene kann die Anzahl der Sensoren zur Detektion von Schwingungen der Schiene ohne nennenswerte Einbußen bei der Detektionsqualität geringer gewählt werden als die Vielzahl der Aktuatoren zur Erzeugung von Gegenschwingungen. Die von den Sensoren detektierten Schwingungen können von einer einzigen Steuereinheit oder auch von mehreren Steuereinheiten zur Steuerung der Aktuatoren ausgewertet werden.

[62] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur aktiven Dämpfung akustischer Schwingungen einer Schiene für den Schienenverkehr, insbesondere mit einem erfindungsgemäßen System, umfassend zumindest folgende von mindestens einer Steuereinheit ausgeführte Schritte: a) automatisches Detektieren zumindest einer vertikalen Schwingung der Schiene mit mindestens einem Sensor, b) automatisches Anregen zumindest einer vertikalen Gegenschwingung der Schiene mit mindestens einem Aktuator, c) wobei die Gegenschwingung dazu eingerichtet ist, mit der detektierten Schwingung destruktiv zu interferieren, und d) wobei der mindestens eine Aktuator mechanisch an die Schiene und an ein die Schiene tragendes Tragelement gekoppelt ist.

[63] Ausgestaltungsmöglichkeiten und Vorteile des Verfahrens ergeben sich analog zum erfindungsgemäßen System.

[64] Die Gegenschwingung kann von der Steuereinheit mit aus dem Bereich der aktiven Lärmkompensation bekannten Verfahren aus der detektierten Schwingung berechnet werden. Alternativ kann die detektierte Schwingung von der Steuereinheit dazu verwendet werden, eine Ankunft eines Zuges und bevorzugt einen Zugtyp des ankommenden Zuges zu detektieren.

[65] Sobald die Ankunft eines Zuges detektiert wurde, kann die Steuereinheit den zumindest einen Aktuator beispielsweise zur Anregung einer allgemeinen Gegenschwingung ansteuern, wobei die allgemeine Gegenschwingung dazu ausgelegt ist, mit einer von einem üblicherweise auf der betreffenden Schiene verkehrenden Zug erzeugten Schwingung der Schiene destruktiv zu interferieren. Die Verwendung einer allgemeinen Gegenschwingung hat den Vorteil, dass nicht für jeden ankommenden Zug erneut eine Gegenschwingung berechnet werden muss, sodass die Steuereinheit weniger leistungsstark und kostengünstiger ausgelegt sein kann. Die allgemeine Gegenschwingung kann beispielsweise durch einen selbstlernenden Algorithmus aus zuvor detektierten Schwingungen bestimmt werden.

[66] Vorzugsweise steuert die Steuereinheit den zumindest einen Aktuator zur Anregung einer zugtypspezifischen Gegenschwingung an, sobald die Ankunft eines Zuges eines bestimmten Zugtyps detektiert wird. Der Zugtyp kann dabei aus der detektierten Schwingung und/oder aus einer Ankunftszeit und einem Abgleich mit einem Zugfahrplan ermittelt werden. Die Verwendung einer zugtypspezifischen Gegenschwingung ist weniger rechenintensiv als eine Berechnung der Gegenschwingung aus der detektierten Schwingung und erlaubt in der Regel eine stärkere Dämpfung als eine allgemeine Gegenschwingung. Die zugtypspezifische Gegenschwingung kann beispielsweise durch einen selbstlernenden Algorithmus aus zuvor detektierten Schwingungen in Verbindung mit den zugehörigen Zugtypen bestimmt werden.

[67] Die Steuereinheit kann zumindest einen Sensor des Systems als Fehlersensor verwenden, um eine Restschwingung, die während des Anregens der Gegenschwingung an ein Tragelement und/oder einen Unterbau der Schiene übertragen wird, zu messen. Vorzugsweise regelt die Steuereinheit die Gegenschwingung in einem geschlossenen Regelkreis derart, dass die Restschwingung minimiert wird.

[68] Das Verfahren umfasst vorzugsweise zumindest folgende von der mindestens einen Steuereinheit ausgeführte Schritte: a) automatisches Detektieren zumindest einer horizontalen Schwingung der Schiene mit mindestens einem Sensor, b) automatisches Anregen zumindest einer horizontalen Gegenschwingung der Schiene mit dem mindestens einen Aktuator, c) wobei die Gegenschwingung dazu eingerichtet ist, mit der detektierten Schwingung destruktiv zu interferieren.

[69] Ein besonderer Vorteil der Erfindung liegt darin, dem Schienenverkehrslärm dort entgegenzuwirken, wo er entsteht. Dadurch wird insbesondere weniger Platz für den Bau von Schienenverkehrswegen benötigt wird - da große Lärmschutzwände überflüssig werden.

[70] Weniger Schwingungen in den Schienen können außerdem den Verschleiß von Rädern und Schienen verringern. Durch einen geringeren Verschleiß der Räder können Rad-Schiene-Geräusche auch auf Streckenabschnitten, die kein erfindungsgemäßes System umfassen, reduziert werden.

[71] Ein Fahrverbot für Züge in der Nacht kann durch geringere Schallemissionen idealerweise entfallen, sodass mehr Züge durch lärmempfindliche Bereiche fahren können. Das Wohnen in der Nähe von Schienenverkehrswegen wird geringere Schallemissionen viel attraktiver. Dies wird die Akzeptanz des Schienenverkehrs als effizientes und umweltfreundliches Logistiksystem erhöhen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[72] Weitere Vorteile, Ziele und Eigenschaften der Erfindung werden anhand nachfolgender Beschreibung und anliegender Zeichnungen erläutert, in welchen beispielhaft erfindungsgemäße Gegenstände dargestellt sind. Merkmale, welche in den Figuren wenigstens im Wesentlichen hinsichtlich ihrer Funktion übereinstimmen, können hierbei mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet sein, wobei diese Merkmale nicht in allen Figuren beziffert und erläutert sein müssen.

[73] Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Systems.

[74] Figur 2 zeigt eine weitere schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Systems.

[75] Figur 3 zeigt eine weitere schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Systems.

[76] Figur 4 zeigt eine weitere schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Systems.

[77] Figur 5 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Schienenverkehrswegs.

Fig.1

[78] Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Systems 100 zur aktiven Dämpfung akustischer Schwingungen zumindest einer Schiene 310 für den Schienenverkehr. In Figur 1 sind beispielshaft zwei parallel verlaufende Schienen 310 eines Gleises mit zwei darauf aufliegenden Rädern R eines Schienenfahrzeugs dargestellt.

[79] Das System 100 umfasst beispielsweise jeweils einen Sensor 110, beispielsweise einen piezoelektrischen Sensor, zur Detektion einer akustischen vertikalen Schwingung jeder Schiene 310, jeweils einen Aktuator 120, beispielsweise einen piezoelektrischen Aktuator, zur Anregung einer vertikalen Gegenschwingung der Schiene 310 und eine kommunikativ mit den Sensoren 110 und den Aktuatoren 120 verbundene (Verbindungen nicht dargestellt) Steuereinheit 130, beispielsweise ein eingebettetes Computersystem, zur Steuerung der Aktuatoren 120 abhängig von den durch die Sensoren 110 detektierten Schwingungen.

[80] Die Aktuatoren 120 sind mechanisch an die jeweilige Schiene 310 und an ein die Schiene 310 tragendes Tragelement 200, beispielsweise eine Bahnschwelle, gekoppelt und verbinden beispielsweise eine Unterseite der jeweiligen Schiene 310 mechanisch mit dem Tragelement 200. [81] Das dargestellte System 100 umfasst jeweils ein bezügliche einer Kraftübertragung zwischen der Schiene 310 und dem Tragelement 200 parallel zu dem Aktuator 120 angeordnetes Stützelement 150 zur statischen Unterstützung der Schiene 310.

[82] Das Stützelement 150 umfasst beispielsweise eine Dämpfunterlage aus einem Elastomer, in die der jeweilige Aktuator 120 integriert sein kann.

Fig.2

[83] Figur 2 zeigt eine weitere schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Systems 100.

[84] Im Unterschied zu Figur 1 ist in Figur 2 nur eine Schiene 310 mit jeweils einem daran angeordneten Sensor 110 und Aktuator 120 gezeigt.

[85] Außerdem ist auch ein Befestigungselement 220, beispielsweise eine Befestigungsklammer, das die Schiene 310 auf das Tragelement 200 presst, dargestellt. Das Befestigungselement 220 kann insbesondere eine kompressive Vorspannung auf den unter der Schiene 310 in einem Stützelement 150, beispielsweise in einer Dämpfunterlage aus einem Elastomer, angeordneten Aktuator 120 bewirken.

[86] Das dargestellte System 100 umfasst ein Druckminderungselement 160, beispielsweise eine Metallhülse, das bezüglich einer Kraftübertragung zwischen dem Aktuator 120 und dem Tragelement 200 angeordnet ist, um einen von dem Aktuator 120 auf das Tragelement 200 ausgeübten Druck zu begrenzen.

[87] Das dargestellte System 100 umfasst einen Fehlersensor 111 zur Messung einer an das Tragelement 200 übertragenen Restschwingung.

Fig.3

[88] Figur 3 zeigt eine weitere schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Systems 100 zur aktiven Dämpfung akustischer Schwingungen zumindest einer Schiene 310 für den Schienenverkehr.

[89] Das System 100 umfasst beispielsweise einen Sensor 110, beispielsweise einen piezoelektrischen Sensor, zur Detektion einer akustischen vertikalen Schwingung der Schiene 310, einen Aktuator 120, beispielsweise einen piezoelektrischen Aktuator, zur Anregung einer vertikalen Gegenschwingung der Schiene 310 und eine kommunikativ mit den Sensoren 110 und den Aktuatoren 120 verbundene Steuereinheit 130, beispielsweise ein eingebettetes Computersystem, zur Steuerung des Aktuators 120 abhängig von der durch den Sensor 110 detektierten Schwingung. Die kommunikativen Verbindungen sind als gestrichelte Linien dargestellt.

[90] Der Aktuator 120 ist mechanisch an die Schiene 310 und an ein die Schiene 310 tragendes Tragelement 200, beispielsweise eine Bahnschwelle, gekoppelt und verbindet beispielsweise eine Unterseite der Schiene 310 mechanisch mit dem Tragelement 200. Diese und die im Folgenden beschriebenen mechanischen Verbindungen sind als durchgezogene Linien dargestellt.

[91] Das dargestellte System 100 umfasst ein bezügliche einer Kraftübertragung zwischen der Schiene 310 und dem Tragelement 200 parallel zu dem Aktuator 120 angeordnetes Stützelement 150 zur statischen Unterstützung der Schiene 310.

[92] Das Stützelement 150 umfasst beispielsweise eine Dämpfunterlage aus einem Elastomer, in die der Aktuator 120 integriert sein kann.

[93] Die Schiene 310 ist vorzugsweise mit zumindest einem Befestigungselement 220 an dem Tragelement 200 befestigt. Das zumindest eine Befestigungselement 220 umfasst beispielsweise einen aus dem Gleisbau bekannten Oberbau W, Oberbau K oder Oberbau KS.

[94] Vorzugsweise ist mindestens ein Dämpfelement 155 zur Dämpfung einer Schwingungsübertragung von der Schiene 310 auf das Tragelement 200 bezüglich einer Kraftübertragung zwischen der Schiene 310 und dem Tragelement 200 mit dem Befestigungselement 220 in Reihe angeordnet.

[95] Das Dämpfelement 155 kann beispielsweise eine Dämpfschicht aus einem, insbesondere faserverstärkten, Elastomer umfassen.

Fig.4

[96] Figur 4 zeigt eine weitere schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Systems 100.

[97] Das in Figur 4 dargestellte System 100 unterscheidet sich von dem in Figur 3 dargestellten System 100 darin, dass der Aktuator 110 nicht die Unterseite der Schiene 310 mechanisch mit dem Tragelement 200 verbindet, sondern bezüglich einer Kraftübertragung zwischen der Schiene 310 und dem Tragelement 200 mit dem Befestigungselement 220 in Reihe angeordnet ist. [98] Erfindungsgemäß ist auch eine nicht dargestellte Kombination zumindest eines gemäß Figur 3 angeordneten Aktuators 110 mit zumindest einem gemäß Figur 4 angeordneten Aktuator 110 möglich.

[99] Wenn ein Aktuator 110 mit dem Befestigungselement 220 in Reihe angeordnet ist, ist bevorzugt kein Dämpfelement 155 mit dem gleichen Befestigungselement 220 in Reihe angeordnet.

Fig.5

[100] Figur 5 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Schienenverkehrswegs 300 mit zumindest einer Schiene 310 und mindestens einem erfindungsgemäßen System 100 zur aktiven Dämpfung akustischer Schwingungen der zumindest einen Schiene 310. Das System 100 umfasst eine Mehrzahl von entlang der Schiene 310 voneinander beabstandeter Sensoren 110 (exemplarisch zwei Sensoren 110 gezeigt) und eine Vielzahl von entlang der Schiene 310 voneinander beabstandeter Aktuatoren 120 (exemplarisch drei Aktuatoren 120 gezeigt), wobei die Mehrzahl der Sensoren 110 kleiner als die Vielzahl der Aktuatoren 120 ist.

[101] Das System 100 umfasst eine kommunikativ mit den Sensoren 110 und den Aktuatoren 120 verbundene Steuereinheit 130. Die kommunikativen Verbindungen sind als gestrichelte Linien dargestellt.

[102] Weitere Bestandteile des Systems 100 sind der Übersichtlichkeit halber nicht gezeigt.

Liste der Bezugszeichen

100 System 200 Tragelement

110 Sensor 220 Befestigungsmittel

111 Fehlersensor 300 Schienenverkehrsweg 120 Aktuator 310 Schiene 130 Steuereinheit R Rad 150 Stützelement 155 Dämpfelement

160 Druckminderungselement