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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Drehgestellquerkopplung
bei einem Schienenfahrzeug, wobei bei dem Verfahren die Drehgestellquerkopplung
zumindest zweier Drehgestelle des Schienenfahrzeugs erfolgt.
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Ein
solches Verfahren wird beispielsweise in Lokomotiven der schweizerischen
und österreichischen Bahnen durchgeführt. Die 1 zeigt
beispielhaft eine Anordnung für eine vorbekannte Drehgestellquerkopplung
zwischen einem vorlaufenden Drehgestell DG2 und einem nachlaufenden
Drehgestell DG1. Zur Drehgestellquerkopplung werden zwei Koppelstangen
KS1 und KS2 eingesetzt, die über ein Federelement FE miteinander
verkoppelt sind. Fährt nun beispielsweise das vordere (vorlaufende)
Drehgestell DG2 in eine Kurve ein, wie dies in der 1 unten
angedeutet ist, so wird das Drehgestell DG2 gedreht und die mit
dem Drehgestell DG2 verbundene Koppelstange KS2 geschwenkt. Durch
das Verschwenken der Koppelstange KS2 wird das Federelement FE ausgelenkt,
wodurch dieses auf die mit dem hinteren Drehgestell DG1 verbundene
Koppelstange KS1 ein Drehmoment ausübt. Das Drehmoment
unterstützt die Ausdrehbewegung des hinteren Drehgestells
DG1, sobald dieses ebenfalls in die Kurve einfährt. Lauftechnisch
reduziert die Drehgestellquerkopplung also die quasistatischen Radführungskräfte,
da durch die Querauslenkung der Feder zwischen den Drehgestellen
ein resultierendes Moment auf die beiden Drehgestelle erzeugt wird,
das die Ausdrehbewegungen der Drehgestelle unterstützt. Passive,
nicht ansteuerbare Dämpfungsglieder sind in der 1 mit
dem Bezugszeichen P gekennzeichnet. In der 2 ist die
Kraftsituation im Bogen noch detaillierter dargestellt. Man erkennt,
wie die Querkraft Fquer über den Hebelarm a das zusätzliche Ausdrehmoment
auf das hintere Drehgestell ausübt. Das Bezugszeichen b
kennzeichnet den Abstand der passiven Dämpfungsglieder.
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Die
beschriebene Drehgestellquerkopplung ist konstruktiv umsetzbar,
solange der Bereich zwischen den Drehgestellen im Unterflurbereich
frei ist. Soll jedoch dieser Freiraum von einem elektrischen Transformator
oder anderen Geräten genutzt werden, ist die beschriebene
Drehgestellquerkopplung nicht mehr realisierbar.
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Aus
der Druckschrift ZEVrail Glasers Annalen 128 (2004) (10. Oktober),
Seiten 518 bis 520, sind darüber hinaus aktive Drehdämpfer
der Siemens AG bekannt. Die vorbekannten aktiven Drehdämpfer
bestehen jeweils aus einem Zylinder, der mit einem Ventil hydraulisch
verbunden ist. Dieses Ventil realisiert in seiner Mittelstellung
die Kennlinie eines Standarddrehdämpfers und ist bei Fahrt
in der Geraden und in Gleisbögen mit einem Radius R > 350 m wirksam. Bei
kleineren Bogenradien erkennt eine elektronische Steuereinheit,
ob ein enger Links- oder Rechtsbogen befahren wird und steuert das
Ventil in die entsprechende Endlage. Dadurch wird wahlweise die
Kolbenfläche oder die Kolbenringfläche mit Drucköl
beaufschlagt. Die aktiven Drehdämpfer erzeugen dann eine
konstante Druck- oder Zugkraft. Die vorbekannten aktiven Drehdämpfer
ermöglichen zwar eine verbesserte Radialstellung der beiden Drehgestelle,
jedoch keine Drehgestellquerkopplung, wie sie bei den oben beschriebenen
Lokomotiven der schweizerischen und österreichischen Bahnen
mittels der Koppelstangen und dem Federelement erreicht wird.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Drehgestellquerkopplung
anzugeben, das sich möglichst universell einsetzen lässt.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren
mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen
Verfahrens sind in Unteransprüchen angegeben.
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Danach
ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Relativbewegung
zwischen zwei Drehgestellen messtechnisch erfasst wird, unter Heranziehung
der erfassten Relativbewegung ein Dämpferkraftwert ermittelt
wird und eine dem Dämpferkraftwert entsprechende Dämpferkraft
mittels drehgestellindividueller, steuerbarer Dämpfungsglieder
auf die zwei Drehgestelle ausgeübt wird.
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Ein
wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist darin zu sehen, dass es erlaubt, die Vorteile der Drehgestellquerkopplung,
wie sie bei den oben beschriebenen Lokomotiven der schweizerischen
und österreichischen Bahnen durch die zwei Koppelstangen
und das Federelement erreicht wird, auch bei modernen Fahrzeugen
zu nutzen, bei denen der Raum zwischen den Drehgestellen anderweitig
belegt ist, beispielsweise durch einen elektrischen Transformator;
denn die Drehgestellquerkopplung wird erfindungsgemäß durch
die entsprechende Ansteuerung der drehgestellindividuellen Dämpfungsglieder
erreicht.
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Ein
weiterer wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen
Verfahrens ist darin zu sehen, dass aufgrund der Drehgestellquerkopplung
ein sehr gutes Kurvenfahrverhalten auch in Weichen erreicht wird.
Da die Drehgestellquerkopplung nämlich kontinuierlich arbeitet,
wirkt sie auch in Übergangsbögen und Bögen
mit variablem Krümmungsradius. Auch hier kommt es durch
die Drehgestellquerkopplung zu einer drastischen Reduzierung der
Radführungskräfte.
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Ein
dritter wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen
Verfahrens ist darin zu sehen, dass sich die Radführungskräfte
soweit reduzieren lassen, dass sich die Einhaltung des derzeit gültigen
Grenzwerts von 60 kN ohne weiteres gewährleisten lässt und
sogar noch weit geringere Radführungskräfte erreichbar
sind.
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Bevorzugt
wird eine Dämpferkraft erzeugt, die proportional zu der
Relativbewegung zwischen den zwei Drehgestellen ist.
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Vorzugsweise
werden mit der Dämpferkraft zwei Drehmomente gleicher Größe,
aber unterschiedlicher Drehrichtung erzeugt, von denen ein Drehmoment
auf das eine Drehgestell und das andere Drehmoment auf das andere
Drehgestell wirkt.
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Gemäß einer
besonders bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen,
dass die Drehwinkel der zwei Drehgestelle erfasst werden, mit den
erfassten Drehwinkelwerten ein Differenzwinkelwert ermittelt wird
und mit dem Differenzwinkelwert die Dämpferkraft festgelegt
wird. Über eine Differenzbildung der Drehwinkel, also eine
Differenzwinkelbildung, lässt sich die Steuerung besonders
einfach durchführen.
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Ein
besonders gutes Fahrverhalten in Kurven und Weichen lässt
sich erreichen, wenn eine Dämpferkraft erzeugt wird, die
proportional zum Differenzwinkelwert ist, beispielsweise indem zur
Bildung des Dämpferkraftwerts der Differenzwinkelwert mit
einem Proportionalitätsfaktor multipliziert wird.
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Vorzugsweise
wird der Proportionalitätsfaktor für das Schienenfahrzeug
fahrzeugindividuell in Abhängigkeit von Fahrzeugparametern
bestimmt. Bei der Bestimmung des Proportionalitätsfaktors
wird bevorzugt insbesondere der Abstand zwischen den Drehgestellen
berücksichtigt.
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Die
Dämpfungskraft lässt sich besonders einfach und
damit vorteilhaft mittels Hydraulikzylinder auf die Drehgestelle
ausüben. Die Hydraulikzylinder können beispielsweise
4/3-Wegeventile umfassen.
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Im
Falle einer Kurvenfahrt des Schienenfahrzeugs wird die Dämpfungskraft
vorzugsweise auf das in Fahrtrichtung vordere Drehgestell derart
ausgeübt, dass der Auslenkbewegung des vorderen Drehgestells
entgegengewirkt wird; auf das in Fahrtrichtung hintere Drehgestell
wird die Dämpfungskraft vorzugsweise derart ausgeübt,
dass die Auslenkbewegung des hinteren Drehgestells unterstützt
wird.
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Die
Drehwinkel der Drehgestelle werden vorzugsweise gemessen, und es
werden als Drehwinkelwerte Drehwinkelmesswerte gebildet.
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Alternativ
oder zusätzlich kann die jeweilige Auslenkung, beispielsweise
die Längsauslenkung, der drehgestellindividuellen Dämpfungsglieder
gemessen werden und mit den Auslenkwerten die Drehwinkelwerte errechnet
werden. Bei einer solchen Ausgestaltung kann auf separate Drehwinkelsensoren
verzichtet werden.
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Die
Erfindung bezieht sich außerdem auf ein Schienenfahrzeug
mit zumindest zwei Drehgestellen und einer Drehgestellquerkopplung.
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Erfindungsgemäß ist
diesbezüglich vorgesehen, dass eine Dämpfungseinrichtung
für jedes der zwei Drehgestelle jeweils zumindest ein steuerbares Dämpfungsglied
und eine mit den Dämpfungsgliedern verbundene Steuereinrichtung
umfasst und die Steuereinrichtung derart ausgestaltet ist, dass
sie die jeweilige Relativbewegung zwischen den zwei Drehgestellen
erfasst, unter Heranziehung der erfassten Relativbewegung eine Dämpferkraft
ermittelt und die Dämpfungsglieder derart ansteuert, dass
diese die ermittelte Dämpferkraft auf die zwei Drehgestelle ausüben.
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Bezüglich
der Vorteile des erfindungsgemäßen Schienenfahrzeugs
sei auf die obigen Ausführungen im Zusammenhang mit dem
erfindungsgemäßen Verfahren verwiesen, da die
Vorteile des erfindungsgemäßen Schienenfahrzeugs
denen des erfindungsgemäßen Verfahrens im Wesentlichen
entsprechen.
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Bevorzugt
wird eine Dämpferkraft erzeugt, die proportional zu der
Relativbewegung zwischen den zwei Drehgestellen, beispielsweise
proportional zur Differenz zwischen den Auslenkwinkeln der zwei Drehgestelle,
ist.
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Vorzugsweise
ist die Steuereinrichtung derart ausgestaltet, dass sie die jeweiligen
Drehwinkel der zwei Drehgestelle erfasst und daraus einen Differenzwinkelwert
errechnet und mit dem Differenzwinkelwert die Dämpferkraft
ermittelt. Beispielsweise kann die Steuereinrichtung eine Recheneinrichtung umfassen
die zur Ermittlung der Dämpferkraft den Differenzwinkelwert
mit einem vorgegebenen Proportionalitätsfaktor multipliziert.
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Auch
wird es als vorteilhaft angesehen, wenn die Steuereinrichtung die
jeweilige Auslenkung der drehgestellindividuellen Dämpfungsglieder
erfasst und mit den Auslenkwerten die Drehwinkelwerte errechnet.
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Gemäß einer
besonders bevorzugten Ausgestaltung des Schienenfahrzeugs ist vorgesehen, dass
jedem Drehgestell jeweils mindestens ein Ausdrehwinkelsensor zugeordnet
ist, der mit der Steuereinrichtung verbunden ist, und die Steuereinrichtung als
Drehwinkelwerte Drehwinkelmesswerte auswertet.
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Zumindest
eines der Dämpfungsglieder, bevorzugt alle Dämpfungsglieder,
weisen vorzugsweise ein Proportionalventil auf, um eine zu der Relativbewegung
bzw. zu dem Differenzwinkelwert proportionale Dämpferkraft
zu erzeugen.
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Zusammengefasst
werden vorzugsweise – je nach Ausgestaltung des Schienenfahrzeugs
oder des oben beschriebenen Verfahrens – alle oder zumindest
einige der nachfolgend aufgeführten Eigenschaften erreicht:
- 1. Einhaltung der quasistatischen Radführungskräfte
gemäß der derzeit gültigen Norm
EN 14363.
- 2. Einhaltung der modernen Kombinationskriterien der Oberbaubelastung
Yqst + 0,87 Qqst < 180 kN
- 3. Einhaltung der Oberbaubelastung in instationären
Trassierungselementen, wie zum Beispiel Weichen. Hier wird derzeit
das Kriterium Y + 0,5 Q < 150
kN vorgeschlagen.
- 4. Reduzierung des Radverschleißes in Bögen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen
näher erläutert; dabei zeigen beispielhaft:
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3 ein
erstes Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes
Schienenfahrzeug, anhand dessen auch ein Ausführungsbeispiel
für das erfindungsgemäße Verfahren erläutert
wird, und
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4 ein
zweites Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes
Schienenfahrzeug, anhand dessen ein weiteres Ausführungsbeispiel
für das erfindungsgemäße Verfahren erläutert
wird.
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In
den 3 und 4 werden aus Gründen der Übersicht
für identische oder vergleichbare Bezugszeichen stets dieselben
Bezugszeichen verwendet.
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In
der 3 erkennt man ein Ausführungsbeispiel
für ein Schienenfahrzeug 10 mit zwei Drehgestellen
DG1 und DG2 und einer eine Drehgestellquerkopplung hervorrufenden
Dämpfungseinrichtung. Die Dämpfungseinrichtung
umfasst vier aktiv ansteuerbare Dämpfungsglieder AG1, AG2,
AG3 und AG4, beispielsweise in Form aktiv ansteuerbarer Hydraulikzylinder,
zwei Winkelsensoren W1 und W2 und eine mit den Dämpfungsgliedern
und den Winkelsensoren W1 und W2 verbundene Steuereinrichtung 20.
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Die
Steuereinrichtung 20 umfasst ein Drehwinkelerfassungsmodul 30,
das eingangsseitig an die zwei Winkelsensoren W1 und W2 angeschlossen ist,
und eine dem Drehwinkelerfassungsmodul nachgeordnete Recheneinrichtung 40.
Die Recheneinrichtung 40 und damit die Steuereinrichtung 20 insgesamt
sind ausgangsseitig mit den vier aktiv ansteuerbaren Dämpfungsgliedern
AG1, AG2, AG3 und AG4 verbunden.
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Die
Steuereinrichtung 20 kann beispielsweise durch eine programmierbare
Datenverarbeitungsanlage gebildet sein; in diesem Falle werden das Drehwinkelerfassungsmodul 30 und
die Recheneinrichtung 40 vorzugsweise durch Softwaremodule
gebildet.
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Die
Dämpfungseinrichtung gemäß der 3 lässt
sich beispielsweise wie folgt betreiben:
Das Drehwinkelerfassungsmodul 30 empfängt
von den zwei Winkelsensoren W1 und W2 Drehwinkelwerte ϕ1
und ϕ2, die den jeweiligen Drehwinkel des jeweils zugeordneten
Drehgestells DG1 bzw. DG2 angeben. Das Drehwinkelerfassungsmodul 30 erzeugt
mit diesen Drehwinkelwerten ϕ1 und ϕ2 einen Differenzwinkelwert Δϕ und
leitet diesen an die Recheneinrichtung 40 weiter.
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Die
Recheneinrichtung 40 bildet mit dem Differenzwinkelwert Δϕ einen
Dämpferkraftwert F und steuert die vier aktiv ansteuerbaren
Dämpfungsglieder AG1, AG2, AG3 und AG4 mit individuellen
Steuersignalen ST1, ST2, ST3 und ST4 derart an, dass eine dem Dämpferkraftwert
F entsprechende Dämpferkraft mittels der drehgestellindividuellen,
steuerbaren Dämpfungsglieder auf die zwei Drehgestelle
DG1 und DG2 ausgeübt wird.
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Die
Recheneinrichtung 40 berechnet den Dämpferkraftwert
F mit dem Differenzwinkelwert Δϕ beispielsweise
unter Heranziehung eines Proportionalitätsfaktors wie folgt: F = Y·Δϕ, wobei
Y den Proportionalitätsfaktor bezeichnet.
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Es
gilt somit also: F ~ Δϕ.
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Der
Proportionalitätsfaktor Y wird für das Schienenfahrzeug
in Abhängigkeit von fahrzeugindividuellen Fahrzeugparametern
bestimmt und der Recheneinrichtung beispielsweise als fester Parameter vorgegeben.
Bei der Bestimmung des Proportionalitätsfaktors Y wird
vorzugsweise der Abstand zwischen den Drehgestellen berücksichtigt.
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Der
Proportionalitätsfaktor Y wird vorzugsweise derart bemessen,
dass der Dämpferkraftwert F, der zu dem Differenzwinkelwert Δϕ proportional
ist, der Querkraft Fquer entspricht, die eine Dämpfungseinrichtung
mit zwei Koppelstangen KS1 und KS2 und einem Federelement FE gemäß den 1 und 2 erzeugen
würde. Die Einrichtung gemäß der 3 würde
in diesem Falle genauso arbeiten wie die Dämpfungseinrichtung
gemäß den 1 und 2,
jedoch ohne den Zwischenraum zwischen den Drehgestellen zu verstellen.
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Die
Steuereinrichtung 20 und der Proportionalitätsfaktor
Y simulieren also die Funktionsweise zweier Koppelstangen KS1 und
KS2 und eines Federelements FE (vgl. 1 und 2),
die somit bei dem Ausführungsbeispiel fehlen können;
der nicht benötigte Platz zwischen den Drehgestellen kann
daher anders genutzt werden, beispielsweise für einen Transformator.
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Vorzugsweise
steuert die Recheneinrichtung 40 die vier aktiv ansteuerbaren
Dämpfungsglieder AG1, AG2, AG3 und AG4 mit den individuellen
Steuersignalen ST1, ST2, ST3 und ST4 derart an, dass die Dämpferkraftwert
F zwei Drehmomente gleicher Größe, aber unterschiedlicher
Drehrichtung auf die beiden Drehgestelle ausübt.
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Beispielsweise
werden durch die individuellen Steuersignale ST1, ST2, ST3 und ST4
die Drehmomente derart erzeugt, dass bei einem Einfahren des vorderen
Drehgestells DG2 in eine Kurve die Ausdrehbewegung des hinteren
Drehgestells DG1 mit einem dem Dämpferkraftwert F entsprechenden Drehmoment
M1 unterstützt und die Ausdrehbewegung des vorderen Drehgestells
DG2 mit dem Drehmoment M2 = –M1 gebremst wird.
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In
der 4 sieht man ein weiteres Ausführungsbeispiel
für ein Schienenfahrzeug 10 mit zwei Drehgestellen
DG1 und DG2 und einer eine Drehgestellquerkopplung hervorrufenden
Dämpfungseinrichtung. Die Dämpfungseinrichtung
umfasst vier aktiv ansteuerbare Dämpfungsglieder AG1, AG2,
AG3 und AG4, beispielsweise in Form aktiv ansteuerbarer Hydraulikzylinder,
und eine mit den Dämpfungsgliedern verbundene Steuereinrichtung 20.
Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel gemäß der 3 fehlen
separate Winkelsensoren.
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Die
Steuereinrichtung 20 umfasst eine Recheneinrichtung 40,
die eingangsseitig und ausgangsseitig mit den vier aktiv ansteuerbaren
Dämpfungsgliedern AG1, AG2, AG3 und AG4 verbunden ist.
Die Steuereinrichtung 20 und/oder die Recheneinrichtung 40 können
beispielsweise durch eine programmierbare Datenverarbeitungsanlage
gebildet sein.
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Die
Dämpfungseinrichtung gemäß der 4 lässt
sich beispielsweise wie folgt betreiben:
Die Steuereinrichtung 20 empfängt
eingangsseitig Längenwerte L1–L4, die die Stellung
der ansteuerbaren Dämpfungsglieder AG1, AG2, AG3 und AG4
anzeigen. Mit diesen Längenwerten L1–L4 errechnet die
Steuereinrichtung 20 den jeweiligen Drehwinkel des jeweils
zugeordneten Drehgestells DG1 bzw. DG2. Mit den Drehwinkelwerten ϕ1
und ϕ2 wird ein Differenzwinkelwert Δϕ gebildet,
mit dem ein Dämpferkraftwert F errechnet wird, beispielsweise
gemäß F = Y·Δϕ, wobei
Y einen Proportionalitätsfaktor bezeichnet.
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Nachfolgend
steuert die Steuereinrichtung 20 die vier aktiv ansteuerbaren
Dämpfungsglieder derart an, dass eine dem Dämpferkraftwert
F entsprechende Dämpferkraft auf die zwei Drehgestelle DG1
und DG2 ausgeübt wird, insbesondere derart, dass zwei Drehmomente
gleicher Größe, aber unterschiedlicher Drehrichtung
an den beiden Drehgestellen anliegen. Im Falle eines Einfahrens
des vorderen Drehgestells DG2 in eine Kurve wird die Ausdrehbewegung
des hinteren Drehgestells DG1 vorzugsweise mit einem dem Dämpferkraftwert
F entsprechenden Drehmoment M1 unterstützt und die Ausdrehbewegung
des vorderen Drehgestells DG2 vorzugsweise mit dem Drehmoment M2
= –M1 gebremst.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Schienenfahrzeug
- 20
- Steuereinrichtung
- 30
- Drehwinkelerfassungsmodul
- 40
- Recheneinrichtung
- AG1,
AG2
- Dämpfungsglied
- AG3,
AG4
- Dämpfungsglied
- F
- Dämpferkraftwert
- Fquer
- Querkraft
- FE
- Federelement
- DG1,
DG2
- Drehgestell
- KS1,
KS2
- Koppelstange
- L1,
L2
- Längenwert
- L3,
L4
- Längenwert
- M1,
M2
- Drehmoment
- P
- Dämpfungsglied
(passiv)
- W1,
W2
- Winkelsensor
- ST1,
ST2
- Steuersignal
- ST3,
ST4
- Steuersignal
- Y
- Proportionalitätsfaktor
- a
- Hebelarm
- b
- Abstand
der passiven Dämpfungsglieder
- ϕ1, ϕ2
- Drehwinkelwert
- Δϕ
- Differenzwinkelwert
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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