用于调节轨道车辆的空气悬架水平的阀装置和方法与流程

1.本发明涉及用于调节轨道车辆的空气悬架水平的阀装置和方法。


背景技术：

2.在现有技术中，用于轨道车辆的空气悬架的使用是基本已知的。这样的空气悬架在轨道车辆的情形中通常以布置在火车皮(wagons)的车厢与底盘或转向架之间的空气弹簧波纹气囊(luftfederb
ä
lge)形式来实现且充当用于车厢相对底盘或转向架的弹性支承的次级悬架。它通过被静态加载的空气弹簧波纹气囊的被动的悬架特性和压缩性和/或在行驶运行中的其被主动控制的进气(beaufschlagung,有时也称为加载)和排气将车厢尽可能与铁轨设施的不平整解耦。通过弹簧波纹气囊的被主动控制的进气和排气，使得水平(也就是说车厢相对于底盘框架的相对高度位置)由于火车皮的载荷变化引起的变化的调控原则上同时成为可能。
3.de 22 16 544 c3公开了一种用于轨道车辆的空气悬架，在其中空气悬架设备的进气和排气借助于机械地经由杠杆和与车厢和底盘相连接的测量杆被操纵的水平调节阀来控制。这样的纯机械的阀控制装置在结构上相对复杂且由于机械的操控在控制性能上同时不灵活地且仅可结构上复杂地改变。在这样的纯机械的阀控制装置的控制技术的设计方案的情形中，此外存在在一方面在显著的荷载变化的情形中(例如在火车皮装载或在站台处的停车运行中的人员进入的情形中)的尽可能快的控制性能与另一方面在行驶运行中(例如在由于铁轨设施的不平整的纯短期的冲击颤动的情形中)的尽可能节省空气的宁愿反应迟钝地设计的控制之间的设计冲突。au 0 558 363 b2公开了一种带有机械地经由杠杆和与车厢和底盘相连接的杆操纵的空气控制阀的就此而言能相比较的技术解决方案。
4.de 296 20 200 u1公开了一种带有电子气动阀的针对用于轨道车辆的空气悬架的电子控制装置，在其中车辆车身相对转向架或底盘的高度位置借助于通过电气测量信号提供到控制电子装置处的高度传感器来获取。为了避免已陈述的设计冲突，借助于控制电子装置实现在停车运行中的系统的响应时间或特征相对行驶运行的转换。在此，控制设备的工作原理应如此来构造，即使得一方面在停止的车辆(静态负荷)的情形中可设定车辆车身的非常精确的高度位置，其中，另一方面在行驶期间(动态负荷)达到对例如摆动运动的不反应。具体的对于两种运行模式而言的控制模型由de 296 20 200 u1对此未被公开。
5.奥地利文献at 503 256 b1和与其作为共同优先权申请相关联的文献wo2007/104370 a1和ep 1 993 862 b1公开了带有机械地经由杆可操纵的阀的用于轨道车辆的电子空气弹簧控制装置的不同实施方案。为了避免在停车运行中的载荷变化的情形中的尽可能快速的控制性能与在行驶运行中的节省空气的控制之间的设计冲突，这些文献公开了调节阀或可控制的开关器件在可机械操纵的阀与至少一个空气弹簧之间的连接管道中的额外布置，以用于使得在可机械操纵的阀与所述至少一个空气弹簧之间的空气交换的节流成为可能。备选地，这些文献就此而言此外公开了两个调节阀或可控制的开关器件相应地在可机械操纵的阀的供气和排气管道中的布置。由这些文献所公开的空气弹簧控制装置结构
上相对复杂且要求相对较大的结构空间，因为可电气或电子控制的开关器件或调节阀仅设置作为除了可机械操纵的阀之外的额外的器件。进气和排气的控制主要通过可机械地经由杆操纵的阀实现，由此该系统在功能上且结构上相对不灵活地设计。因此，例如未使空气弹簧的独立于相应存在的车辆行程的进气成为可能，例如用于在较高的站台处的纯粹的水平平衡。此外，经由杆和杠杆的机械操纵由结构引起地经受相对较高的磨损。最后，这些文献未公开用于电气或电子操纵用于节流空气交换的额外的调节阀或可控制的开关器件的控制模型。这样的必须以通过at 503256 b、wo2007/104370 a1和ep 1 993 862 b1所公开的现有技术为出发点才被开发。
6.奥地利文献at 508 044 a1和与其作为共同优先权申请相关联的文献wo2010/115739 a1和ep 2 416 997 b1公开了一种用于控制车辆的空气弹簧装置的方法，在其中通过操控空气弹簧装置的至少一个阀(其可以是可电子控制的比例阀)调整与车辆的确定的状态关联的高度调节性能。由车辆的状态推导出离散的状态参数，其被合并为参数集，其中，每个参数集关联有定义的高度调节性能。该高度调节性能通过改变比例阀的阀特征曲线的经定义的阶梯状的走向基于受限制数量的参数集被针对性地预设和调整。在此，比例阀的性能在模拟被机械操纵的阀中相应地仅被呈现为调节偏差的函数。利用带有经定义的阶梯状的走向的非线性的阀特征曲线实现电子控制要求对相应的控制特征的事先建模作为一系列关于离散的状态参数的固定值，其中，在耗时的前期试验中首先相应的测量值须被收集且针对每个期望的阀特征曲线所必要的操纵变量例如须被迭代地确定。此外，将固定的控制特征预设为一系列固定值显露另外的缺点，即，由相应的控制特征不可或仅可不充分地考虑未被获取的干扰变量(例如被改变的环境和系统温度或由磨损效应引起的构件公差)。


技术实现要素：

7.本发明基于如下任务，即，避免所呈现的缺点。尤其地，应提供一种结构上简单构建的且可容易参数化的系统意用于调节轨道车辆的空气悬架水平。
8.根据本发明，该任务通过一种根据权利要求1的阀装置和一种根据权利要求12的方法来解决。本发明的有利的改进方案在从属权利要求中给出。
9.一种用于调节轨道车辆的空气悬架水平的阀装置构成了本发明的核心，其包括比例方向阀、用于连续获取代表轨道车辆的车厢与车架或转向架的间距的间距变量的传感器件和数字式调节设备，其中，调节设备在程序技术上设立成用于借助由传感器件所获取的实际间距和与可预设的额定间距的比较确定调节偏差且用于连续生成作为经确定的调节偏差和车厢行进速度的线性函数的操纵变量。对此合适的传感器件连续地获取代表轨道车辆的车厢与车架或转向架的间距的间距变量且将该间距变量转换成合适的电气信号，其可由数字式调节设备处理。这可例如是角度传感器，其经由机械杆借助于杠杆获取车厢与车架或转向架的间距，如这由de 296 20 200 u1或wo2010/115739 a1所公开的那样。在此，这样的角度传感器可将间距变量持续电气地作为模拟信号或作为增量信号发出到调节设备处。在第一种情况中，传感器信号的紧接着的离散化通过数字式调节设备实现。其它合适的传感器件例如持续感应地或光学地获取间距变量且将其作为模拟或增量的电气信号值发出到调节设备处。调节偏差的确定通过由传感器件所获取的实际间距(其在封闭的调节回
路内是调节变量)与可预设的额定间距(其在封闭的调节回路内是指令变量)之间的持续比较实现。该调节偏差在线性的调节函数内例如可作为比例份额(p
‑
分项(p
‑
glied)或p
‑
份额)被考虑。车厢行进速度与调节偏差的时间变化(变化速度)相符且在线性的调节函数内例如可作为根据调节偏差的时间变化的微商(differentialquotient,有时称为导数)且因此作为差分份额(d
‑
分项(d
‑
glied)或d
‑
份额)被考虑。
10.本发明已知如下，即，由此提供一种结构上简单构建的且可容易参数化的系统以用于调节轨道车辆的空气悬架水平。利用比例方向阀，原则上所有对于调节轨道车辆的空气悬架水平必要的气动调节功能可在唯一的构件中容易地呈现，即不仅空气悬架设备的经调节的进气，而且空气悬架设备的经调节的排气且最后还有在确定的进气或排气状态中(例如在行驶运行中)空气交换的可能期望的截止。基于作为经确定的调节偏差和车厢行进速度的线性的电子调节功能的实现，同时确保空气悬架的水平(也就是说车厢相对于底盘框架或转向架的相对高度位置)的由火车皮的载荷变化引起的变化的有效且快速的调控，而为此不需要复杂的参数化。尤其地，不需要对特征复杂地建模作为一系列固定值。通过在最简单的情况中通过比较经获取的实际间距与单个可固定地预设的针对额定间距的值实现调节偏差的确定的方式，在同时使用经标准化的线性函数的情形中仅该单个固定值(额定间距)的参数化是必要的。基于作为封闭的调节回路(也被称作封闭的作用回路)的设计方案和车厢行进速度的额外考虑，该技术解决方案同时具有非常动态的修正力矩(korrekturmoment)以用于补偿未被直接获取的干扰变量。在此，对于实现电子调节而言必要的数字式调节设备同样节省空间地简单地作为相应的微控制器可被集成到比例方向阀的壳体或用于阀装置的所有部件的共同的壳体中，例如作为“单电路板计算机(sbc)”，在其中所有对于运行而言需要的电子部件(cpu、存储器、输入和输出接口、ad转换器、dma控制器等等)被结合在唯一的电路板上。同样的适用于传感器件，其例如作为角度传感器可被直接集成到比例方向阀的壳体中或用于阀装置的所有部件的共同的壳体中，其可经由与机械测量杆相连接的杠杆被操纵。此外，根据本发明的阀装置可被用于所有可气动操控的空气悬架设备的水平调节以用于车辆车身或车体相对于车辆的底盘或车架的悬架，其使得经调节的进气或排气成为可能，如例如空气弹簧波纹气囊、多个空气弹簧波纹气囊的装置或例如同样地一个或多个气动悬架缸体的装置。
11.通过车厢行进速度包括为线性函数的额外的调节参数的方式，阀装置的响应性能的进一步提高的动态性和敏感性被达到。车厢行进加速度与车厢行进速度的时间变化相符且在线性的调节函数内例如可作为根据车厢行进速度的时间变化的另外的微商且因此作为另外的差分份额被考虑。
12.阀装置的调节性能的灵活性以如下方式被达到，即，通过单个调节参数的经改变的参数化或针对调节作用、操纵变量或经获取的实际间距的修改因子的设置可选择、可预设或可调整调节函数的动态性。经改变的参数化例如通过偏差的额定间距的设置或针对单个或多个调节参数(即额定间距、调节偏差和/或车厢行进速度和/或车厢行进加速度)的系数的设置或变化实现。同样地，备选地通过针对调节作用、待生成的操纵变量或经获取的实际间距的整体的修改因子的设置可选择、可预设或可调整调节作用的动态性。在此，修改因子可减弱地或加强地来选择，从而使得该调节的目标动态性按百分比被降低或提高。
13.阀装置的调节性能的灵活性同样以如下方式被达到或被进一步提高，即，通过实
际间距或调节偏差的与强度和/或时间相关的过滤可选择、可预设或可调整调节函数的动态性。这样的过滤例如排除了所有在可定义的大小之下的实际间距或调节偏差。在该情况中，调节仅自可确定的实际间距或可确定的调节偏差起响应。备选地或累积地，过滤可被设计为时间过滤，在其中实际间距或调节偏差自可确定的持续时间起才引起调节活动。在该情况中，该调节仅对带有确定持续时间的实际间距或调节偏差的变化响应，由此例如仅暂时出现的干扰变量(例如在行驶运行中的短期冲击)被过滤出。两种过滤变体方案同样可彼此组合，从而使得该调节自带有可确定的大小和可确定的持续时间的实际间距或调节偏差起才响应。
14.通过借助轨道车辆的运行形式或行驶速度可选择、可预设或可调整调节函数的动态性或过滤的方式，使不同调节动态性相对于不同运行形式的简单的自动化的分配成为可能。因此，例如针对停车运行和行驶运行的不同的额定间距例如可自动化地预设。此外，在停车运行中用于补偿载荷变化的增加的调节动态性和在行驶运行中带有降低的空气消耗的更迟钝的调节特性可容易地自动化。
15.在阀装置的一种结构上有利的设计方案中，该比例方向阀是3向比例阀，其具有排气位置和带有相应连续可变的开口横截面的进气位置以及截止位置。利用这样的方向阀，所有有意义的气动调节功能可简单且有效地呈现，即空气悬架设备的经调节的进气、空气悬架设备的经调节的排气且最后还有在空气悬架设备的经确定的进气状态中的空气交换的截止(例如用于降低在行驶运行中的空气消耗)。在行驶运行中空气交换的截止的情形中，空气悬架设备以可确定的压力的当前的进气被“冻结”且其被限制于其被动的悬架特性。
16.在使用比例方向阀或3向比例阀的情形中，其在其静止位置中且进而同样地在无电流的状态中占据打开位置且与其相连接的空气悬架设备排气，为了确保运行安全性所谓的“故障安全”功能可为期望的，以便于防止系统在断电情况中排气。为了实现这样的故障安全功能，相对比例方向阀或3向比例阀的排气端口在后置有可电子控制的开关器件，其在无电流的状态中占据截止位置而在被操纵的状态中占据打开位置。因此，阀的且进而同样地整个系统在无电流的状态中的无意的排气被可靠地防止。这样的开关器件可例如是2/2开关阀。
17.此外，为了进一步提高运行安全性，故障安全的过压卸载可为期望的。为此，比例方向阀或3向比例阀的工作端口经由连接管道与至少一个空气悬架设备的被组合的进气/排气端口相连接且与连接管道一起同时布置有可机械地经由杠杆和与车厢和底盘相连接的测量杆操纵的开关器件，其在其静止位置中占据截止位置且其自代表可确定的实际间距的杠杆位置起切换到打开位置中，其中，该开关器件将连接管道与排气出口连接。
18.为了与外部电子控制系统、例如在上一级的牵引控制装置相关联，调节设备构造有至少一个兼容于至少一个工业协议标准的数据通讯接口。这可例如是兼容于工业标准profibus,devicenet/controlnet或canopen的有线的现场总线接口或是兼容于工业标准profinet,ethernet/ip,ethernet powerlink或ethercat的有线的网络接口(工业以太网)。这样的数据通讯接口可同时兼容于多个协议标准(数据传递协议)地设计。此外，数据通讯接口可设计成无线的数据通讯接口，例如设计为工业wlan接口(iwlan)。
19.为了到外部电子控制系统、例如上一级的牵引控制装置中的功能集成，调节设备
在程序技术上设立成用于经由数据通讯接口参数化或选择、预设或调整调节函数的动态性或过滤。这一方面使得经由上一级的牵引控制装置远程参数化或远程调整调节动态性成为可能。此外，这以如下方式使得阀装置与上一级的牵引控制装置的功能连结成为可能，即，该调节设备经由数据通讯接口获得关于当前运行形式(行驶运行/停车运行)的信息且相应地调整调节动态性。最后，这同样以如下方式使得在运行时间通过上一级的牵引控制装置到调节动态性中的干预成为可能，即，调节设备在运行时间例如被预设改变的参数化或调节函数的动态性或过滤。
20.一种另外的安全功能以如下方式给出，即，比例方向阀或3/3向比例阀构造有用于获取阀出口压力的传感器件且调节设备在程序技术上设立成用于确定可定义的压降且用于生成缺陷信号和其经由数据通讯接口的传输。空气悬架设备的故障(例如空气弹簧波纹气囊的泄漏或破裂)引起在比例方向阀或3向比例阀的工作侧上的压降。该压降能够以被集成到阀中的用于获取阀出口压力的传感器件来探测。在该情况中，调节设备生成缺陷信号且将这经由数据通讯接口例如传输到上一级的牵引控制装置，由此车辆驾驶员或调度中心被自动告知故障。
21.一种用于利用比例方向阀、用于连续获取代表车厢与车架或转向架的间距的间距变量的传感器件和数字式调节设备调节轨道车辆的空气悬架水平的方法构成了本发明的另一核心，其中，借助于调节设备通过由传感器件所获取的实际间距与可预设的额定间距的比较确定调节偏差且连续地生成操纵变量作为经确定的调节偏差和车厢行进速度的线性函数。以该方法确保空气悬架的水平(也就是说车厢相对于底盘框架或转向架的相对高度位置)由火车皮的载荷变化引起的变化的高效且快速的调控，而为此不需要复杂的参数化。
22.调节方法的响应特性的可能的动态性和敏感性的提高以如下方式实现，即，车厢行进加速度包括为线性函数的额外的调节参数。
23.调节特性的灵活性以如下方式来实现，即通过单个调节参数的经改变的参数化或针对调节作用、操纵变量或实际间距的修改因子的设置可选择、可预设或可调整调节函数的动态性。
24.调节特性的进一步的灵活性以如下方式实现，即，通过实际间距或调节偏差的与强度和/或时间相关的过滤可选择、可预设或可调整调节函数的动态性。
25.不同调节动态性相对不同运行形式的简单的自动化分配以如下方式被使得成为可能，即，借助运行形式或轨道车辆的行驶速度可选择、可预设或可调整调节函数的动态性和/或过滤。
附图说明
26.本发明的另外的优点在下面与本发明的优选的实施例的描述一起借助附图进一步示出。其中：图1显示了带有空气悬架和阀装置的轨道车辆的部分区域的示意性后视图；图2显示了用于调节轨道车辆的空气悬架水平的根据图1的阀装置的示意性框图；图3显示了带有阀装置的调节性能的特征曲线的图表。
具体实施方式
27.图1以示意性的后视图形式显示了轨道车辆的部分区域。阀装置1布置在车厢2的下部区域中。它在机械上经由杠杆3和测量杆4与底盘框架5相连接。在此，底盘框架5也可实施成转向架。在底盘框架5与车厢2之间，作为次级悬架布置有由两个空气弹簧波纹气囊6和6'构成的空气悬架设备。次级悬架6的相应当前的行程h因此与车厢2与底盘框架5的相应的间距相同。备选地，次级悬架在此同样可构造成唯一的弹簧波纹气囊。在底盘框架5下方布置有主悬架7，轮轴8和两个车轮9和9'通过其弹性地相对底盘5支撑。次级悬架6的相应当前的行程h取决于车厢2的相应当前的载荷且通过测量杆4和与其相连接的杠杆3的相应位置在机械上代表。
28.图2显示了带有杠杆3和在图2中仅截面示出的测量杆4以及空气弹簧波纹气囊6和6'的阀装置1的示意性框图。阀装置1的部件构造在共同的通过虚线框符号表示的壳体中。测量杆4经由杠杆3被铰接在该壳体处。为了两个布置在阀装置1的壳体外部的且经由连接管道10与其相连接的空气弹簧波纹气囊6和6'的进气和排气，在连接管道10内布置有3/3向比例阀11。3/3向比例阀11可经由比例磁体12抵靠机械回位弹簧13的弹簧负荷操控且将空气弹簧波纹气囊6和6'经由连接管道10相应地以可变的阀开口横截面在开关状态中与压力空气源14且在其起始和静止位置中与排气出口15相连接。在此，压力空气源14可以是压力空气泵、压缩机或例如同样可以是中间联接的压力空气存储器。3/3向比例阀11经由比例磁体12此外可被切换到被截止的中间位置中，在其中连接管道10被完全截止。在其在无电流的状态中的静止位置中，3/3向比例阀11被完全切换到其排气位置中，在其中连接管道10未经节流地与排气出口15相连接。比例磁体12的电子操控经由作为微控制器16被集成到阀装置1中的调节设备实现。微控制器16构造成“单板计算机(sbc)”，在其中所有对于运行必要的电子部件(cpu,存储器,输入和输出接口,a/d转换器,dma控制器等等)被结合在唯一的电路板上。微控制器16由角度传感器17获得连续的电气信号，其代表车厢2与底盘框架5的相应当前的间距h。角度传感器17为此机械地与杠杆3相连接且经由其相应的位置获取相应当前的实际间距。微控制器16在程序技术上设立成用于借助由角度传感器相应地获取的且传输的实际间距通过其与可预设的额定间距的比较确定调节偏差e且用于连续生成用于操纵3/3向比例阀11的比例磁体12的操纵变量u，作为经确定的调节偏差e和借助实际间距的时间变化可推导出的车厢行进速度的线性函数。如果在运行时间被预设的额定间距在时间上恒定，车厢行进速度同样可直接借助经确定的调节偏差e的时间变化推导出。作为另外的调节参数可额外地考虑到：可借助车厢行进速度的时间变化推导出的车厢加速度。在此，每个调节参数可经由系数可参数化地构造，从而使得适用。
29.此外，阀装置1包括可电气操纵的开关阀18。开关阀18经由开关磁铁19抵靠通过机械的回位弹簧20的弹簧负荷可切换且连接在其开关状态中的3/3向比例阀11的排气端口21与排气出口15且在其未通电的起始和静止位置中截止排气出口21("normal closed(通常闭合)"=nc)。在正常运行中，开关阀18经由微控制器16切换成打开。在断电的情况中，开关阀18自动截止且因此阻止3/3向比例阀11且进而同样整个系统(因此同样空气弹簧波纹气囊6和6'和压力空气源14，其例如也可以是中间联接的压力存储器)的排气。
30.最后，阀装置1包括可机械操纵的截止阀22。该阀在其静止位置中被封闭，然而通过经由杠杆3的机械操纵自代表确定的行程h的杠杆位置起切换到打开位置中，其中，该阀将连接管道10与排气出口15连接。
31.微控制器16构造有数据通讯接口23。数据通讯接口23用于与在上一级的牵引控制装置(在图2中未描绘)经由数据通讯导线24的数据连接。数据通讯接口23为此按照需求例如设计成现场总线接口(例如兼容于profibus,devicenet/controlnet或canopen)或设计成工业以太网接口(例如兼容于profinet,ethernet/ip,ethernet powerlink或ethercat)。它可同时兼容于多个协议标准地设计。通过数据通讯接口23，微控制器16可以如下方式被集成到上一级的牵引控制装置中，即，例如参数化或调整调节函数的动态性或过滤对于微控制器16的程序技术上的设备而言通过在上一级的牵引控制装置可选择、可预设或可调整。相反地，微控制器16同样可在程序技术上设立成用于将过程值(例如实际间距)告知上一级的牵引控制装置。
32.用于通过相应在程序技术上设立的微控制器16确定操纵变量的示例的线性调节函数的调节性能在图3中被呈现为特征面25。在此，特征面25是针对操纵变量值u的调节空间，操纵变量值u取决于作为比例分项的经确定的调节偏差值e和作为示例的线性调节函数的差分项的车厢行进速度值(dx)。
33.附图标记列表1 阀装置2 车厢3 杠杆4 测量杆5 底盘框架6,6' 空气弹簧波纹气囊7 主悬架8 轮轴9,9' 车轮10 连接管道11 3/3向比例阀12 比例磁体13,20 回位弹簧14 压力空气源15 排气出口16 微控制器17 角度传感器18 开关阀19 开关磁铁21 排气端口22 截止阀23 数据通讯接口
24 数据通讯导线25 特征面。