轨道车辆中的悬挂故障探测的制作方法

专利名称：轨道车辆中的悬挂故障探测的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种轨道车辆，它包括车厢主体和悬挂机构，后者含支撑车厢主体的行驶机构。本发明进而涉及一种用于检测此轨道车辆的悬挂系统中的故障的方法。
背景技术：
在现代轨道车辆中，皆知需探测轨道车辆悬挂系统中之故障，因其对轨道车辆的行驶稳定性有负面作用。通常使用振动传感器或类似装置，捕捉代表车辆悬挂系统一特定组件上发生之加速度的状态变量的实际值。然后对以此方式所获得的数据进行分析，以便探测悬挂系统中发生之过量加速度的情况，后者代表悬挂系统故障。如果探测到此故障情况，便发出相应的故障警示信号，以便发起适当的应对措施避免险情。此系统例如见于WO01/81147A1。 然而，在轨道车辆运作期间，并非所有不良情况和可能引发危险的情况的起源都是车辆行驶机构的不当振动行为。例如，车厢主体相对于行驶机构过量的侧向运动可能导致车辆所经过之特定轨道所界定的动态包络线的违背。为了避免任何情况下发生这类动态包络线违背，通常使轨道车辆的车厢主体和悬挂系统的外轮廓特别适合于车辆即将运行的轨道系统。尽管以此方式可以在被动式悬挂系统中有效避免相应轨道的动态包络线违背，然而此方法的缺点在于，一方面它通常对车厢主体的外轮廓要求相当严格，以致减少车辆的运输能力，另一方面它使车厢主体的悬挂相当刚硬，以致在乘客舒适性方面有所不足。主动式悬挂系统存在的另一问题包括例如车厢主体相对于行驶机构的主动倾斜控制(即分别控制车厢主体相对一条走向沿车厢主体纵向方向的倾斜轴或滚动轴的倾斜角度或滚动角度)。举例而言，在此系统中，倾斜控制系统故障可导致产生车厢主体相对于行驶机构的过量偏移从而导致动态包络线违背。这点同样适用于车厢主体的主动摇摆运动控制。此类主动式悬挂系统可能引发的另一个问题在于例如，倾斜控制系统故障可能导致产生车厢主体相对于前行驶机构和后行驶机构的相反侧向偏移。由于此倾斜系统的特定动力学属性导致的此种情况将导致车厢主体的扭转负载，由此导致行驶机构某些车轮的意外卸载，从而导致脱轨风险大增。

发明内容
因此本发明的一个目的是提供一种如上所概述的轨道车辆，它至少能一定程度上解决上述缺点。本发明的另一个目的是提供一种既有较大运输能力又使乘客感到舒适同时又能确保在任何情况下都能安全稳定地运作的轨道车辆。最后，本发明的一个目的是提供一种用于探测悬挂系统故障从而使所述这种车辆成为现实的方法。上述目标的实现首先需要如权利要求I的序语所述的运行机构，其特征如如权利要求I的特征部分所述。上述目标的实现进而需要如权利要求11的序语所述的方法，其特征如如权利要求11的特征部分所述。本发明是基于以下技术示范通过实施一个监测系统用于监测和行驶机构相关联之预定第一参考部与和车厢主体相关联之预定第二参考部之间的空间关系，可实现轨道车辆运作的安全和稳定，提供较大运输能力和较高乘客舒适度，且同时能降低即将经历的一给定轨道的动态包络线意外违背的风险或降低脱轨风险。对此空间关系的监测使得可以执行故障分析以确定故障情况的存在 ，故障情况存在时将超过动态包络线违背的预定风险值或脱轨风险的预定风险值。在此故障情况下可发出故障信号，而故障信号又可用于发起预定应对措施以将此风险值显著降低至一给定值以下。应知，在本发明的含义中，行驶机构与车厢主体之间的空间关系可定义为空间中可用的六个自由度(DOF)的一或多个。此外，故障分析中可以考量行驶机构与车厢主体之间在这六个自由度的一或多个中的相对运动。更确切而言，任何位置变化(即三个平移自由度之任意者中的运动)以及任何方向变化(即三个旋转自由度之任意者中的运动)都可纳入考量(单独或任意组合)。为此故障情况进行的对系统的调查可以实现主动式悬挂系统，可主动控制行驶机构与车厢主体之间的空间关系。此种主动式控制一方面可以最大化外轮廓从而最大化车厢主体的运输能力，因其可以主动调节车厢主体相对于行驶机构(从而相对于动态包络线)的空间关系使之适合于给定的动态包络线。此外，此种主动式悬挂系统在乘客舒适性方面可以得到最优化，因为其刚性和阻尼特性可主动调节以适合于车辆当前的行驶情况。受益于本发明的故障调查，既可实现两种优点，又不致增加动态包络线违背的风险或脱轨风险。以此方式，可以得到符合尖端安全性要求的主动式车辆悬挂系统。提供参与故障分析的组件时，可以用冗余的方式及/或可提供以稳定的功能测试设施(例如定期测试各组件正常运作的测试电路)以增加系统的安全水平。具体而言，本发明中获得的车辆悬挂系统可符合诸如IEC 61508、IEC 61508,EN 50126至EN 50129等标准中所规定的安全性要求。更确切而言，可获得高达2级(SIL2)和更高的安全完整性等级(SIL如所述标准中一些所定义)。因此，根据第一个方面，本发明涉及一种轨道车辆，其包括车厢主体和悬挂系统，所述悬挂系统包括支撑所述车厢主体的行驶机构。提供有传感器装置和控制装置。传感器装置捕捉至少一个状态变量的实际值，所述状态变量代表传感器装置上和行驶机构之一部分相关联的第一参考部与传感器装置上和车厢主体相关联的第二参考部之间的空间关系KA1]。控制装置使用所述状态变量的所述实际值执行故障分析[KA2]，所述故障分析评估至少一个预定的故障判据的符合情况。最后，如果所述故障分析显示故障判据符合，则控制装置提供故障信号。在此背景下应知，所述第一和第二参考部中哪一个都不必刚性连接到相应的行驶机构之一部分和车厢主体。相反，只要相应参考部与组件之间存在足够确切的空间关系以便评估相关的实际空间关系便足矣。此外应知，在最简单的此种故障分析的例子中，传感器装置所捕捉的状态变量的实际值可作为简单的比较值，接着将其与一个简单的阈值相比较以评估是否存在故障情况(例如当实际捕捉到的状态变量值超过阈值时)。然而在其他优选变化中，故障分析可以基于多个捕捉值，继而根据一或多个给定的故障判据分析这些捕捉值。例如在故障分析中，在给定时段中所捕捉的给定数量N个状态变量值，可以评估给定故障阈值是否被超过大于M次(故障判据)。若是，则控制装置可判定存在故障情况且可发出故障信号。当然进而应知，可在故障分析中使用一或多个其他任何复杂的故障判据(作为补充或作为替代)。特别是，可在故障分析中考量至少一个由传感器装置所捕捉的其他状态变量(即附加的不同状态变量)。
状态变量可为任何适当变量，只要能代表第一参考部与第二参考部(从而是行驶机构与车厢主体)之间在可用六个自由度之一或多个中的空间关系(位置及/或方向)。相应的选用自由度取决于可能导致动态包络线违背或脱轨风险过高的相应待考量运动的方向。优选地,轨道车辆界定纵向方向、横向方向和高度方向，而状态变量代表第一参考部与第二参考部之间在横向方向上的横向位移。以此方式，可在故障分析中考虑车厢主体相对于行驶机构的横向运动(也称为侧向运动或摇摆运动)。这点特别有利，尤其是当车厢主体相对较长的车辆正在经历相对窄的弯道(相对小的曲率半径)时，此横向运动通常是遵守动态包络线的主要限制因素。此外在评估脱轨风险时，相对于前行驶机构和后运行机构的过量的相反横向运动可能是关键因素。作为补充或替代，状态变量可代表第一参考部与第二参考部之间在高度方向上的角度偏航位移。同样，特别是当车厢主体相对较长的车辆正在经历相对窄的弯道时，此偏航运动也指示了车厢主体的横向运动。根据车辆的类型，尤其是根据车厢主体的长度(即其沿车辆纵向方向的尺寸)，可以以固定方式界定传感器装置及/或控制装置的特征。例如，特别是对于相对短的车厢主体而言，在轨道车辆的任何运作状态下(即无论行驶速度、轨道弯曲、轨道超高等)，要探测行驶机构与车厢主体之间过量的侧向或横向运动，横向方向上具有固定敏感度特征的简单传感器装置便足矣。然而，特别是对于较长的车厢主体(在距行驶机构较远的位置处显示相对于轨道中心可观的横向位移)，优选的是传感器装置及/或控制装置提供故障分析对于轨道车辆实际行驶状况的适应性。在此情形下，实际行驶状况可由例如车辆行驶速度及/或车辆行驶方向及/或车辆当前正在经历之轨道形状来界定。优选地，轨道形状是由轨道弯曲、轨道超高和轨道扭转值中的至少一个界定。以此方式便很容易适当地界定(取决于运作状态)行驶机构与车厢主体间之相对运动的容许极限并在故障分析中考量这些极限。例如，对于相对长的车厢主体，对于行驶机构区域中探测到的车厢主体相对于行驶机构的横向偏移的容许值，其在弯曲超高轨道上可能远小于在平直轨道上。这是由于以下事实在距行驶机构较远的位置处，车厢主体(相对于轨道中心)可观的横向偏移仅仅是源于轨道形状，因此要遵守给定的动态包络线，行驶机构区域(探测到此偏移发生的位置)中只能容许小得多的额外的横向变位。在本发明的优选实施方式中，发生了故障分析对于车辆行驶或运作状况的主动适应性。为此目的，优选地，传感器装置包括行驶状况传感器单元，用于捕捉行驶状况变量的实际值，所述行驶状况变量代表轨道车辆的实际行驶状况。控制装置将故障分析作为行驶状况传感器单元所提供之行驶状况变量之实际值的函数执行故障分析。为此目的，可使用任何适当的代表轨道车辆实际行驶状况的变量。例如，故障分析的适应性作为至少一个代表当前经历轨道之实际曲率之变量(作为行驶状况变量)的函数而发生。如上所概述，控制装置可将横向变位的容许极限(应用于故障分析中)作为当前探测到之曲率(作为行驶状况变量)的函数加以调节。作为补充或替代，传感器装置可将其状态变量捕捉行为作为行驶状况变量之实际值的函数加以改变。这点也可以主动方式实现，即作为由传感器装置捕捉及/或提供给传感器装置之行驶状况之实际值的函数。 然而在本发明其他实施方式中(由于其十分简单和坚固的设计而成为优选)，可实施纯被动式的方案。在此纯被动式的变形中，传感器装置的捕捉行为(例如其灵敏性特征)作为轨道车辆各行驶状况的函数而自动(被动)变化。此被动式适应性可通过对传感器装置组件进行适当布置而轻松获得。例如，可将第一和第二参考部布置成使其在横向方向上的相对位置随着车厢主体与行驶机构的相对偏航运动(即相对一条平行于高度方向且由悬挂系统界定的偏航轴的旋转)而发生改变。传感器装置的第一和第二部与偏航轴的距离可以选定为偏航位移相关的横向位移导致在故障分析探测到故障情况之前可容许的任何额外横向位移的减小。此外，在本发明的其他实施方式中，第一及/或第二参考部的形状及/或灵敏性特征可适设成能提供所需要的传感器装置捕捉行为的被动适应性。例如，传感器元件(形成传感器装置的第一和第二参考部之一)可以与参考元件(形成第一和第二参考部之另一个)合作提供探测信号。传感器元件可以具有方向相关的灵敏性，即取决于各探测方向的灵敏性(例如以如下方式探测信号的提供位于各探测方向上传感器元件与第二参考元件之间给定的、最终不同的距离处)。于是传感器元件的方向相关灵敏性可以如下方式调整以适合于特定的应用场合即当由于当前运作情况导致第一与第二参考部之间的相对位置发生某变化(即行驶机构与车厢主体之间的相对位置变化)时，所述探测信号的提供位于行驶机构与操作系统之间不同的横向位移处。最后对于灵敏性与方向相关(在其可用视场上)的传感器，此种结果的获得也可通过适设参考元件的形状以提供故障分析分别对于车辆的各运作情况或行驶状况的适应性。显然，可使用故障分析适应性的上述变形的任意组合。因此，在本发明的轨道车辆的优选变形中，传感器装置包括在感测方向上捕捉所述状态变量之所述实际值的状态变量传感器单元。所述状态变量传感器单元在所述感测方向上的捕捉行为，尤其是在所述感测方向上的灵敏性，作为轨道车辆之实际行驶状况的函数而变化。状态变量传感器单元可具有任何适合于相应适应性的捕捉特征。优选地，状态变量传感器单元，尤其至少有部分，具有线形及/或球形的捕捉特征。在十分简单和坚固的实施方式中，状态变量传感器单元包括感测元件和相关联的参考元件，所述感测元件捕捉一个代表感测元件与参考元件间至少一个距离的值，作为感测方向上之状态变量之实际值。感测元件形成第一参考部或第二参考部，而参考元件形成第一参考部和第二参考部中的另一个。如上所概述，感测元件和参考元件被布置为至少在感测方向上，感测元件与参考元件间的相对位置作为轨道车辆之实际行驶状况的函数而变化，以提供感测方向上捕捉行为的变化。在十分简单的设计中，感测元件和参考元件可布置为与悬挂系统所界定的偏航轴相距一段距离尤其沿纵向方向相距一段距离，其中所述悬挂系统位于行驶机构与车厢主体之间。
原则上，只要能提供代表第一与第二参考部空间关系的信号，传感器装置可使用任何传感器。优选地，传感器装置包括至少一个距离传感器，用于捕捉至少一个代表第一参考部与第二参考部间距离的值。应知，传感器装置不一定要提供一或多个方向上第一与第二参考部的空间关系的连续测量值。相反，对于待执行的故障分析，当第一与第二参考部之间达到预定空间关系时传感器单元仅提供相应的探测信号便足矣。例如，简单的二进制信号便足以指示是(例如信号等级I)否(例如信号等级2)已超过第一与第二参考部间的某距离。因此，优选地，至少一个距离传感器可按接近开关的方式设 计，后者通常提供此类简单的二进制信号。原则上，传感器装置可布置于轨道车辆内的任何适当位置以提供所需状态变量的实际值。优选地，车厢主体通过悬挂系统的二系弹簧系统支承于行驶机构上，且第一参考部和第二参考部被布置为动态平行于二系弹簧系统的至少一部分。如上所述，第一参考部不一定要刚性连接到车厢主体。因此在本发明的优选实施方式中，第一参考部连接到行驶机构的第一部，而第二参考部连接到行驶机构的第二部，尤其是一个通过二系弹簧系统之一部分支承于行驶机构之第一部上的支架。但在其他实施方式中，第二参考部也可连接到车厢主体。此外，第一和第二参考部可选择任何适当的位置。在本发明的某些相当紧凑型的实施方式中，第一参考部及/或第二参考部一体化于二系弹簧系统的一个组件中，尤其是二系弹簧系统的一个空气弹簧中。如果第一参考部及/或第二参考部一体化于一个用于在行驶机构与车厢主体之间产生调节力及/或调节运动的致动器装置中，则也可以实现相对紧凑的布置。车辆内故障信号可使用任意方法。例如在最简单的情况下，故障信号可用以触发音频及/或视频信号，通过该音频及/或视频信号车辆驾驶者及/或遥控中心可获知故障情况。继而车辆驾驶者及/或遥控中心可针对潜在威胁的故障情况发起适当的应对措施。然而，优选地，故障信号用以自动发起适当应对措施。例如，故障信号自身便可用以控制主动式悬挂系统的组件。因此，在本发明的有利实施方式中，悬挂系统包括施力装置，所述施力装置在控制装置的控制下于悬挂系统内施力，所述力将影响所述至少一个状态变量。施力装置优选将其操作作为所述故障信号的函数加以改变，以抵消此故障情况下的不当运作。这点可以通过不同方式完成。例如，可使施力装置在接收到故障信号后切换为一如下模式，此模式下其将抵消任何可能潜在加重故障情况的运动。在施力装置自身就是故障潜在来源的实施方式中，施力装置优选回应故障信号而切换到去能操作模式。此外，施力装置可适设为在去能操作模式下于悬挂系统内施加复位力，所述复位力通过作用可使车厢主体重新进入预定的相对行驶机构的中性位置。以此方式，可实实在在降低与故障相关的风险。施力装置可以采用任何适当的设计，也可以位于悬挂系统内任意适当的位置。优选地，施力装置包括致动器装置，尤其是一倾斜致动器，其调整车厢主体相对于一条走向沿车辆纵向方向的倾斜轴的倾斜角度。作为补充或替代，施力装置包括阻尼器装置，尤其是偏航阻尼器装置，其减缓行驶机构与车厢之间的运动。如上所述，作为补充或替代，第一参考部及/或第二参考部可一体化于施力装置的一个组件中，尤其是施力装置的一个致动器装置中，从而实现有利的紧凑设计应知，在此背景下，第一和第二参考部可为任何适当的施力装置部件，只要当其在悬挂系统内施力并影响了至少一个状态变量时其能执行已界定的相对运动。此外应知，在此情形下，相对运动并不一定在第一与第二参考部之间直接测量。而是如上所概述，可使传感器装置捕捉至少一个代表第一与第二参考部间空间关系的状态变量的实际值。例如，如果施力装置是具有活塞和汽缸(二者共同界定致动器的工作腔室)的液压致动器，那么传感器装置可简单捕捉工作腔室的填充度(通过适当方法)，后者也代表活塞(例如形成第一参考元件)与汽缸(例如形成第二参考元件)之间的相对位置。本发明进而涉及一种在轨道车辆悬挂系统中探测故障的方法，其中所述轨道车辆含有车厢主体和悬挂系统且所述悬挂系统包括支撑车厢主体的行驶机构，其中捕捉至少一个状态变量的实际值，所述状态变量代表和行驶机构相关联的第一参考部与和车厢主体相关联的第二参考部之间的空间关系κα3]。此外使用所述状态变量的所述实际值执行故障分析ΚΑ4]，所述故障分析评估至少一个预定的故障判据的符合情况。如果所述故障分析显示所述故障判据符合，则提供故障信号。使用此方法，上文对轨道车辆所述的实施方式的优点可以得到同样程度的实现，因此此处仅参考上文的说明。根据符文的权利要求书和下面的具体实施方式
及其相关图式，本发明的其他实施方式也将清晰可见。


图I是本发明一车辆优选实施方式的剖面示意图(沿图3中I-I线剖切所见)，通过该车辆优选实施方式可执行本发明的方法优选实施方式；图2是从下方(例如从图3中II-II线所示的轨道平面)看到的图I车辆的细节示意图；图3是图I的车辆的侧视示意图；图4Α是图I的车辆的一部分的细节示意图；图4Β是图I的车辆的一部分的区块示意图；图4C是图4Α所示车辆部分的另一种布局的区块示意图；图5是本发明另一车辆优选实施方式的剖面示意图(与图2视角相同)；图6是本发明另一车辆优选实施方式的剖面示意图(与图2视角相同)。
具体实施例方式实施例I参考图I至图4，现在将更详细地说明本发明的轨道车辆101的优选实施方式。为简化以下说明，图中采用了 xyz坐标系，其中(在平直轨道上)χ轴代表车辆101的纵向方向，y轴代表车辆101的纵向方向而z轴代表车辆101的高度方向。车辆101包括支承于悬挂系统103上的车厢主体102。悬挂系统103包括两个立于轨道105上的行驶机构104。每个行驶机构104包括两个轮组104. 1，其通过一系弹簧单元104. 3支撑行驶机构框架104. 2。行驶机构框架104. 2通过二系弹簧单元104. 4支撑车厢主体102。
悬挂系统103包括主动倾斜单元106，其被布置为动态地平行于二系弹簧单元104. 4。倾斜单元106形成悬挂系统103的主动部件，用以调节相对一条平行于车辆101纵向方向(X轴)的倾斜或滚动轴的倾斜或滚动角度aw。为此目的，倾斜单元106包括链接到行驶机构框架104. 2和车厢主体102的熟知滚动支撑106. I。滚动支撑106. I包括内倾连结106. 2，在车厢主体102发生侧向偏移时，即车厢主体102相对于行驶机构104发生横向方向(y轴)上的相对偏移时，内倾连结106. 2将以熟知的方式提供倾斜。倾斜单元106进而包括主动施力装置，其形式为同时连接到行驶机构框架104. 2和车厢主体102的倾斜致动器106. 3。倾斜致动器106在形式为控制单元107的控制装置的控制下，用以将倾斜角α作为车辆101之当前行驶状况的函数加以主动调节。通常，控制单元107中执行的倾斜控制算法被适设为避免动态包络线105. I的任何违背，其中动态包络线105. I是针对车辆101即将运作的相应轨道105所指定。显然，在轨道105上运作之任何车辆的任何运作状况下，尤其也包括在车辆倾斜系统任何主动元件的故障状况下，都必须遵守动态包络线105. I。在传统车辆中，这一要求 的实现是通过对车厢主体外轮廓和车厢主体横向运动(例如使用机械停挡块或类似装置)同时进行限制。然而一方面，对车厢主体外轮廓的限制会有减少其运输能力的负面作用。另一方面，用机械停挡块限制侧向偏移也有其缺陷，因为这些停挡块的设计必须适合最差的情形，即侧向偏移限制最严格的给定动态包络线中车辆的运作状况。因此最终，在与此最差情形不同的运作状况下(即在侧向偏移限制相对较不严格的状况下)，可能无法得到理想的侧向偏移范围，尽管在给定动态包络线内是可容许的。要避免这些问题，本发明的车辆101包括连接到控制单元107的传感器装置109。传感器装置109包括两个传感器配置109. I和109. 2，二者各包括一个传感器单元109. 3和109. 4以及相关联的参考元件109. 5至109. 8。传感器单元109. 3和109. 4机械连接到行驶机构框架104. 2，而(扁平状)参考元件109. 5至109. 8机械连接到车厢主体102，使得在图I和图2所示的中性状态下传感器单元109. 3和109. 4与各自的相关联参考元件109. 5至109. 8的表面之间存在一定的横向距离(y方向上)。在本发明的含义中，传感器单元109. 3和109. 4形成传感器装置109的第一参考部，而参考元件109. 5至109. 8形成传感器装置109的第二参考部。传感器单元109. 3和109. 4各包括两个与各参考元件109. 5至109. 8相关联的传感器元件109. 9。因此在图示的实施方式中，提供有八个传感器元件109.9。然而，在本发明的其他实施方式中，可选择任何其他适当数量的传感器元件，尤其是根据选定的冗余等级和故障算法所需的传感器。优选地，传感器数量至少为两个至多八个。每个传感器元件109. 9都具有各自预定的捕捉特征或灵敏性特征，后者由一个走势主要沿横向方向(y轴)的受限视场109. 10所界定。在图示实施方式中，各传感器单元109. 3和109. 4是以接近开关的方式设计的简单的距离传感器。更确切而言，各传感器元件109. 9提供一个二进制信号，只要关联参考元件109. 5至109. 8分别不干扰视场109. 10该信号等级就为“0”，一旦关联参考元件109. 5至109. 8分别干扰视场109. 10该信号等级就为 “ I ”。因此在本发明的含义中，各传感器元件109. 9提供的信号呈现了一个状态变量实际值，后者代表各第一参考部(分别为传感器单元109. 3和109. 4)与相关联的第二参考部(分别为参考元件109. 5至109. 8)之间的空间关系，即其在横向方向(y轴)上的间距。由于第一和第二参考部分别连接到行驶机构104和车厢主体102，故这些(状态变量的)实际值也代表行驶机构104与车厢主体102在横向方向(y轴)上的空间关系。控制单元107被适设成以如下方式控制制动器单元106. 3的运作即在车辆101的任何运作或行驶状况下都遵守动态包络线105. I和给定的脱轨风险。为此目的，控制单元从传感器元件109. 9处接收信号并使用这些信号执行故障分析。 在此故障分析的最简单的例子中，各传感器装置109提供的信号的实际值作为一个简单比较值，接着将其与一个简单的阈值相比较以评估是否存在故障情况。当各传感器装置109提供最简单的二进制信号时，控制单元107仅执行一项检查，看传感器元件109. 9的信号中是否有一个为等级“I” (即控制单元107执行一项检查看阈值“I”是否被状态变量的实际捕捉值之一超过)。如是，即如果符合故障判据，则控制单元107发出故障信号。然而在其他变形中，可以对给定时段T中给定数量N个离散的传感器元件109.9信号值进行故障分析，看给定故障阈值是否被超过大于M次(故障判据)。若是，则控制单元107可判定存在故障情况且可发出故障信号。在图示实施方式中，控制单元107—方面使用此故障信号作为信号，通过发信装置113向车辆101的驾驶者发出故障情况通知。此外，在图示实施方式中，控制单元107使用此故障信号作为信号关闭或去能致动器106. 3。根据悬挂系统的刚度，尤其是二系弹簧装置104. 4的刚度，这点可能足以避免在任何情况下动态包络线105. I的违背。然而若非如此，可使致动器106. 3自身或作用于行驶机构104与车厢主体102间的任何其他组件在致动器106. 3的此去能状态下在车厢主体102上施加复位力，所述复位力通过作用可使车厢主体102重新回到其如图I所示的中性位置(aw = 0)o从图2可见(立于平直轨道上的车辆101处于中性状态时)，传感器单元109. 3和109. 4的位置与界定于行驶机构104与车厢主体102之间的偏航轴(分别平行于高度轴或z轴)相距一段距离D(纵向方向上)。这样的效果是，当经历弯道(如图2中双点点划线111所示)时，含参考元件109. 5至109. 8的车厢主体102将施加偏航运动(即以偏航角度a γ相对偏航轴旋转)，从而导致横向方向(y轴)上传感器单元109. 3、109. 4与参考元件109. 5至109. 8之间出现明显的距离变化，如图2中虚线112所示。因此，尽管在控制单元107发出故障信号之前车厢主体102与行驶机构104之间存在(可容许的)侧向偏移TEl(例如由于参考元件109.8干扰了相关联的传感器元件109. 9的视场109. 10)，但在弯道111上，在控制单元107发出故障信号之前车厢主体102与行驶机构104之间的(可容许的)侧向偏移TE2显著降低了。这样的好处在于，控制单元107提供的故障分析以简单的被动式方式自动调节到适合于车辆101的行驶情况。悬挂系统103对故障情况的这种适应性调查使系统实现了对行驶机构104与车厢主体102空间关系的主动控制。这种主动控制可最大化车厢主体102的外轮廓从而最大化其运输能力，因为车厢主体102相对行驶机构104的空间关系可主动调节到适合于给定的动态包络线105. I。此外，主动式悬挂系统103在乘客舒适性方面得到最优化，因为其刚度和阻尼特征可以主动地调节到适合于车辆101的当前行驶情况。受益于本发明的故障调查，既可获得上述两种优点同时又不致提高动态包络线105. I的违背风险。
图4A中针对所经历的不同曲率半径的弯道给出了传感器元件109. 9和相关联的参考元件109. 6的布置尺寸和在悬挂系统中的位置举例(除非另行说明，否则所有尺寸的单位都为毫米)。从图4A中易见，这些参数取决于轨道的曲率半径(-250m、-500m等)从图4A可见，在直轨道上，参考元件109. 6到传感器元件109. 9的距离为95mm (传感器元件109. 9分别有80mm的容许运动和15mm的探测区域或视场)。对于曲率半径为R=-250m的弯道传感器元件必须向参考元件109. 6移动40mm,才能将横向的车厢主体运动限制在40mm(80mm-40mm = 40mm)。当然应知,在本发明的其他实施方式中，传感器元件109. 9的探测区或视场分别可选用任何尺寸(除15_外)。为此目的，传感器元件109. 9必须与位于行驶机构104中心的偏航轴相距某一纵向距离D ^ IOOOmm，以使此位移具有偏航角α γ = 2. 3° (导致车辆101有此曲率半径R)。显然，此距离D取决于两个行驶机构104之间的纵向距离，因为后者界定任何轨道曲率下的偏航角α γ。对于正曲线，传感器元件109. 9从参考元件109. 6移开得更远(例如为了 R =+500m而到100mm)。对于较小的弯道R = +250m，传感器元件109. 9甚至移开更远。然而，当制动器106. 3受限于此方向上某一行程(此处例如受限于此方向上IOOmm的最大行程)时这点没有特定影响。应知，在此类情形下，即使省略车厢主体102 —侧的探测也足矣，即省略参考元件109. 5和109. 7而只用参考元件109. 6和109. 8。[KA5]根据传感器元件109. I的视场109. 10的形状，可能由于传感器在当前轨道上的旋转角度而存在小错误。为了最小化此错误，传感器元件109. I最好位于行驶机构104的纵向中心线上。对于使用感应探测的传感器元件109. 9参考元件109. 5至109. 8优选表面面积为至少45mm x 45mm。所述表面面积优选更大一些以便允许传感器元件109. 9与相应参考元件109. 5至109. 8之间的纵向和垂直移动。然而应知，在本发明的其他实施方式中，可使用不同探测原理(例如光学、电学、机械原理之一或其任意组合)的其他任何传感器元件类型在本发明中，可得到符合尖端安全性要求的主动式车辆悬挂系统。从图I可见，两个传感器元件109. 9提供相关联的参考元件109. 5至109. 9以提供冗余配置。图4B和图4C显示了这两个冗余配置的传感器元件109. 9不同的接线可能性举例，即串联配置(图4B)和并联配置(图4C)。图4C中所示并联配置在测试方面是优选配置，因为它可以识别一个传感器元件109. 9的故障(以避免潜在故障)。任何情况下，都能提供可靠的功能测试设施(例如定期测试各组件正常运作的测试电路)，以提高系统的安全等级。因此，本发明中获得的车辆悬挂系统103可符合诸如IEC 61508、IEC 61508、EN50126至EN 50129等标准中所规定的安全性要求。更确切而言，可获得高达2级(SIL2)和更高的安全完整性等级(SIL如所述标准中一些所定义)。应知，在本发明的其他实施方式中，也可主动地获得上述(行驶状况相关)适应性故障分析。为此目的，实际行驶状况可由例如车辆行驶速度及/或车辆行驶方向及/或车 辆当前经历之轨道形状来界定，且传感器装置的至少一个行驶状况传感器(如图I中虚线114所示)可捕捉一或多个适当的行驶状况变量，其代表界定实际行驶状况的特定组件。在此情形下，控制装置107将故障分析作为行驶状况传感器单元114提供之行驶状况变量之实际值的函数加以执行。可使用能代表轨道车辆实际状况的任何适当变量。例如，适应性故障分析作为至少一个代表当前经历轨道之实际曲率之变量(作为行驶状况变量)的函数而发生。如上所概述，控制装置可将横向变位的容许极限(故障分析中所采用)作为行驶状况传感器114当前探测到之曲率的函数加以调节。在此情形下，只有一个传感器元件109. 9便足够能以足够高的分辨率捕捉到参考元件109. 6的距离。作为补充或替代，传感器装置可将其捕捉行为(例如其视场109. 10的形状及/或尺寸)作为行驶状况变量之实际值的函数加以改变。这点也可以主动方式实现，即作为由传感器装置捕捉及/或提供给传感器装置之行驶状况之实际值的函数。进而应知，在本发明的其他实施方式中，作为第一和第二参考部109. 5至109. 9的补充或替代，第一和第二参考部可一体化于致动器单元106. 3中。第一和第二参考部可为 制动器单元106. 3的任何适当部分，只要当其在悬挂系统内施力时其能执行已界定的相对运动。例如，制动器单元106. 3的活塞可形成第一参考部而制动器单元106. 3的汽缸形成第二参考部。此外应知，在此情形下，相对运动并不一定要使用任何想要的适当距离传感器在第一与第二参考部之间直接测量。而是如上所概述，可使传感器装置109捕捉至少一个代表第一与第二参考部间空间关系的状态变量的实际值。例如，在液压致动器106. 3的情形下，传感器装置可简单捕捉工作腔室的填充度(通过适当方法)，后者由致动器106. 3的活塞与汽缸所界定，也代表活塞与汽缸之间的相对位置。最后应知，要获得想要的冗余度和精确度，可提供任何所需数量的整合了第一和第二参考部的致动器。例如，可以为每个行驶机构提供两个致动器106. 3。这两个致动器106. 3的位置优选类似于上文所概述的参考部109. 5至109. 9之一。实施例2现将参照图5更详细地说明本发明的另一个优选传感器装置实施方式209。传感器装置209可替代图I车辆101中的传感器装置109。在基本的设计和功能下，传感器装置209大体类似于传感器装置109，因此下面只说明其不同之处。此外，相同或类似的组件采用相同的元件符号加上100。下文除非有不同说明，这些组件的特征和功能均明确引述上文的说明。相对传感器装置109的区别在于以下事实故障分析对于各行驶状况的适应性是通过参考元件209.5(连接到车厢主体102)的形状的适应性来提供。从图5中可见，传感器元件209. 9 (连接到行驶机构104)和参考元件209. 5 (连接到车厢主体102)被布置为在车辆的中性位置下，其相对偏航轴(位于行驶机构104与车厢主体102之间)有横向而无纵向偏移。参考元件209. 5的探测表面的弯曲提供了各行驶状况(例如TEl和TE2)下横向容许偏移的适应性，因此也提供了故障分析的适应性。应知，通过这种简单的改变参考元件209. 5表面的方法，实际上可获得所需任何对于车辆实际行驶状况的适应性。应知，参考元件209. 5可选择任何适当形状。特别是根据理想的故障分析适应性所需，可选择直线和曲线段的任何适当组合。实施例3参照图6，下面将更详细地说明本发明的另一优选传感器装置实施方式309。传感器装置309可替代图I车辆101中的传感器装置109。在基本的设计和功能下，传感器装置309大体类似于传感器装置109，因此下面只说明其不同之处。此外，相同或类似的组件采用相同的元件符号加上100。下文除非有不同说明，这些组件的特征和功能均明确引述上文的说明。相对传感器装置109的区别在于以下事实故障分析对于各行驶状况的适应性是通过传感器元件309. 9 (连接到行驶机构104)的捕捉特征(此处为视场309. 10的形状)的适应性来提供。从图6中可见，传感器元件309. 9 (连接到行驶机构104)和参考元件309. 5 (连接到车厢主体102)被布置为在车辆的中性位置下，其相对偏航轴(位于行驶机构104与车厢主体102之间)有横向而无纵向偏移。参考元件309. 5的视场309. 10形状更确切而言是弯曲提供了各行驶状况(例如TEl和TE2)下横向容许偏移的适应性，因此也提供了故障分析的适应性。应知，通过这种简单的改变参考元件309. 5的视场309. 10形状(及灵敏性特征)的方法，实际上可获得所需任何对于车辆实际行驶状况的适应性。应知，视场309. 10和参考元件309. 5都可选择任何适当形状。特别是根据理想的故障分析适应性所需，可选择直线和曲线段的任何适当组合。 上文对本发明的实施方式的描述中，遵守给定的动态包络线和给定的出轨风险。然而应知，在本发明的其他实施方式中，可能实现对其他判据或限制的遵守作为补充做替代目标。例如，可实现对车辆调平系统(调节轨道平面上车厢主体的平整度)的限制的遵守。尽管上文仅在轨道车辆背景下说明本发明，应知只要能解决紧急悬挂中与空间节约途径相关的类似问题，本发明也可应用于任何其他类型的车辆。
权利要求
1.一种轨道车辆，包括 车厢主体(102)和 悬挂系统(103)，包括支撑所述车厢主体(102)的行驶机构(104)； 所述轨道车辆的特征在于 提供有传感器装置(109 ；209 ；309)和控制装置(107)； 所述传感器装置(109 ；209 ；309)捕捉至少一个状态变量的实际值，所述状态变量代表所述传感器装置(109 ；209 ；309)上和所述行驶机构(104)之一部分相关联的第一参考部(109. 9 ；209. 9 ；309. 9)与所述传感器装置(109 ；209 ；309)上和所述车厢主体(102)相关联[KA6]的第二参考部(109. 5至109. 8 ；209. 5 ；309. 5)之间的空间关系_ ； 所述控制装置(107)使用所述状态变量的所述实际值执行故障分析KA8]，所述故障分析评估至少一个预定的故障判据的符合情况； 如果所述故障分析显示所述故障判据符合，则所述控制装置(107)提供故障信号。
2.根据权利要求I所述的轨道车辆，其中 所述轨道车辆界定纵向方向、横向方向和高度方向； 所述状态变量代表所述第一参考部(109. 9 ；209. 9 ；309. 9)与所述第二参考部(109. 5至109. 8 ；209. 5 ；309. 5)之间在所述横向方向上的横向位移且/或 所述状态变量代表所述第一参考部(109. 9 ；209. 9 ；309. 9)与所述第二参考部(109. 5至109. 8 ；209. 5 ；309. 5)之间在所述高度方向上的角度偏航位移。
3.根据权利要求I或2所述的轨道车辆，其中 所述传感器装置(109 ；209 ；309)及/或所述控制装置(107)提供所述故障分析对所述轨道车辆实际行驶状况的适应性； 所述实际行驶状况尤其是由所述车辆的行驶速度及/或所述车辆的行驶方向及/或所述车辆正在经历之轨道的轨道形状所界定； 所述轨道形状尤其是由所述轨道的弯曲、所述轨道的超高及所述轨道的扭转中至少一个所界定。
4.根据权利要求3所述的轨道车辆，其中 所述传感器装置(109 ；209 ；309)包括捕捉行驶状况变量一实际值的行驶状况传感器单元(104)； 所述行驶状况变量代表所述轨道车辆的所述实际行驶状况； 所述控制装置(107)将所述故障分析作为由所述行驶状况传感器单元所提供之所述行驶状况变量之所述实际值的函数加以执行及/或 所述传感器装置(109)将其对所述状态变量的捕捉行为作为所述行驶状况变量之所述实际值的函数加以改变。
5.根据权利要求3或4所述的轨道车辆，其中 所述传感器装置(109)包括在感测方向上捕捉所述状态变量之所述实际值的状态变量传感器单元(109. 9)； 所述状态变量传感器单元(109. 9)在所述感测方向上的捕捉行为，尤其是在所述感测方向上的灵敏性，作为所述轨道车辆之所述实际行驶状况的函数而变化； 所述状态变量传感器单元(109. 9)，尤其至少有部分，具有线形及/或球形的捕捉特征。
6.根据权利要求5所述的轨道车辆，其中 所述状态变量传感器单元(109. 9 ；209. 9 ；309. 9)包括感测元件(109. 9)和相关联的参考元件(109. 5 至 109. 8 ；209. 5 ；309. 5)； 所述感测元件(109. 9 ；209. 9 ；309. 9)在所述感测方向上捕捉一个代表所述感测元件(109. 9 ；209. 9 ；309. 9)与所述参考元件(109. 5至109. 8 ；209. 5 ；309. 5)间至少一个距离的值作为所述状态变量之所述实际值； 所述感测元件(109. 9 ；209. 9 ；309. 9)形成所述第一参考部或所述第二参考部，而所述参考元件形成所述第一参考部和所述第二参考部中的另一个；所述感测元件(109. 9 ；209. 9 ；309. 9)和所述参考元件(109. 5 至 109. 8 ；209. 5 ；309. 5)被布置为至少在所述感测方向上，所述感测元件(109. 9 ；209. 9 ；309. 9)与所述参考元件(109. 5至109. 8 ；209. 5 ；309. 5)间的相对位置作为所述轨道车辆之所述实际行驶状况的函数而变化，以提供所述感测方向上所述捕捉行为的所述变化；所述感测元件(109. 9 ；209. 9 ；309. 9)和所述参考元件(109. 5 至 109. 8 ；209. 5 ；309. 5)尤其被布置为与所述悬挂系统(103)所界定的偏航轴相距一段距离尤其沿所述纵向方向相距一段距离，其中所述悬挂系统(103)位于所述行驶机构(104)与所述车厢主体(102)之间。
7.根据前述权利要求中任一项所述的轨道车辆，其中 所述传感器装置(109 ；209 ；309)包括至少一个距离传感器(109. 9 ；209. 9 ；309. 9)；所述至少一个距离传感器(109. 9 ；209. 9 ；309. 9)捕捉至少一个代表所述第一参考部与所述第二参考部间距离的值； 所述至少一个距离传感器(109. 9 ；209. 9 ；309. 9)尤其按接近开关的方式设计。
8.根据前述权利要求中任一项所述的轨道车辆，其中 所述车厢主体(102)通过所述悬挂系统(103)的二系弹簧系统(104. 4)支承于所述行驶机构(104)上; 所述第一参考部和所述第二参考部被布置为动态平行于所述二系弹簧系统(104. 4)的至少一部分； 特别是，所述第一参考部连接到所述行驶机构(104)的第一部，而所述第二参考部连接到所述行驶机构(104)的第二部，尤其是一个通过所述二系弹簧系统之一部分支承于所述行驶机构(104)之所述第一部上的支架，或所述第二参考部连接到所述车厢主体； 特别是，所述第一参考部及/或所述第二参考部一体化于所述二系弹簧系统(104. 4)的一个组件中，尤其是所述二系弹簧系统的一个空气弹簧中。
9.根据前述权利要求中任一项所述的轨道车辆，其中 所述悬挂系统(103)包括施力装置(106. 3)； 所述施力装置(106.3)在所述控制装置(107)的控制下于所述悬挂系统(103)内施力，所述力将影响所述至少一个状态变量； 所述施力装置尤其将其操作作为所述故障信号的函数加以改变，特别是所述施力装置回应所述故障信号而切换到去能操作模式； 所述施力装置(106. 3)尤其被适设为在所述去能操作模式下于所述悬挂系统内施加复位力，所述复位力通过作用可使所述车厢主体(102)重新进入预定的相对所述行驶机构(104)的中性位置。
10.根据权利要求9所述的轨道车辆，其中 所述施力装置包括致动器装置(106. 3)，尤其是一倾斜致动器，其调整所述车厢主体(102)相对于一条走向沿所述车辆一纵向方向的倾斜轴的倾斜角度； 及/或 所述施力装置包括阻尼器装置，尤其是偏航阻尼器装置，其减缓所述行驶机构与所述车厢之间的运动及/或 所述第一参考部及/或所述第二参考部一体化于所述施力装置(106.3)的一个组件中，尤其是所述施力装置的一个致动器装置(106.3)中。
11.一种在轨道车辆悬挂系统中探测故障的方法，其中所述轨道车辆含有车厢主体(102)和悬挂系统(103)，所述悬挂系统(103)包括支撑所述车厢主体(102)的行驶机构(104)，所述方法的特征在于 捕捉至少一个状态变量的实际值，所述状态变量代表和所述行驶机构(104)相关联的第一参考部(109. 9 ；209. 9 ；309. 9)与和所述车厢主体(102)相关联[KA9]的第二参考部(109. 5至109. 8 ；209. 5 ；309. 5)之间的空间关系；以及 使用所述状态变量的所述实际值执行故障分析KA1(1]，所述故障分析评估至少一个预定的故障判据的符合情况； 如果所述故障分析显示所述故障判据符合，则提供故障信号。
12.根据权利要求11所述的方法，其中 所述轨道车辆界定纵向方向、横向方向和高度方向； 所述状态变量代表所述第一参考部(109. 9 ；209. 9 ；309. 9)与所述第二参考部(109. 5至109. 8 ；209. 5 ；309. 5)之间在所述横向方向上的横向位移且/或 所述状态变量代表所述第一参考部(109. 9 ；209. 9 ；309. 9)与所述第二参考部(109. 5至109. 8 ；209. 5 ；309. 5)之间在所述高度方向上的角度偏航位移。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其中 提供所述故障分析对于所述轨道车辆实际行驶状况的适应性； 所述实际行驶状况尤其是由所述车辆的行驶速度及/或所述车辆的行驶方向及/或所述车辆正在经历之轨道的轨道形状所界定； 所述轨道形状尤其是由所述轨道的弯曲、所述轨道的超高及所述轨道的扭转中至少一个所界定。
14.根据权利要求13所述的方法，其中 捕捉行驶状况变量一实际值； 所述行驶状况变量代表所述轨道车辆的所述实际行驶状况； 将所述故障分析作为所述行驶状况变量之所述实际值的函数加以执行及/或 将对所述状态变量的捕捉行为作为所述行驶状况变量之所述实际值的函数加以改变。
15.根据权利要求11至14中任一项所述的方法，其中 所述悬挂系统(103)包括施力装置(106. 3)； 所述施力装置(106.3)于所述悬挂系统(103)内施力，所述力将影响所述至少一个状态变量； 所述施力装置(106. 3)尤其将其操作作为所述故障信号的函数加以改变，特别是所述施力装置(106. 3)回应所述故障信号而切换到去能操作模式； 所述施力装置(106. 3)尤其是致动器装置，尤其是一倾斜致动器，其调整所述车厢主体(102)相对于一条走向沿所述车辆一纵向方向的倾斜轴的倾斜角度； 及/或 所述施力装置尤其是阻尼器装置，尤其是偏航阻尼器装置，其减缓所述行驶机构(104)与所述车厢(102)之间的运动及/或 所述第一参考部及/或所述第二参考部一体化于所述施力装置(106.3)的一个组件中，尤其是所述施力装置的一个致动器装置(106.3)中。
全文摘要
本发明涉及一种轨道车辆，它包括车厢主体(102)和悬挂系统(103)，悬挂系统(103)包括支撑车厢主体(102)的行驶机构(104)。提供有传感器装置(109)和控制装置(107)，所述传感器装置(109)捕捉至少一个状态变量的实际值，所述状态变量代表所述传感器装置(109)上和所述行驶机构(104)之一部分相关联的第一参考部(109.9)与所述传感器装置(109)上和所述车厢主体(102)相关联[KA11]的第二参考部(109.5至109.8)之间的空间关系[KA12]。所述控制装置(107)使用所述状态变量的所述实际值执行故障分析[KA13]，所述故障分析评估至少一个预定的故障判据的符合情况。如果所述故障分析显示所述故障判据符合，则所述控制装置(107)提供故障信号。
文档编号B61F9/00GK102630204SQ201080045863
公开日2012年8月8日 申请日期2010年9月15日 优先权日2009年9月15日
发明者理查德·施耐德, 麦克·拜尔特 申请人:庞巴迪运输有限公司