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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Steuerung eines Rades, insbesondere eines Radsatzes eines Schienenfahrzeuges mit mindestens einem, eine gegen einen Lenkausschlag des Rades bzw Radsatzes eine Rückstellkraft aufbringenden federelastischen Element und mit mindestens einem das Rad bzw den Radsatz steuernden, insbesondere hydraulischen oder pneumatischen Stellglied.
Es ist bekannt, dass ein Radsatz eines Schienenfahrzeuges, der ein entsprechendes Profil der Radlaufflächen aufweist, bei einer Kurvenfahrt auf einem Gleisbogen eine selbständige Lenkbewegung um eine vertikale Achse ausfuhren kann Bei einem beispielsweise konischen Profil der Lauffläche kommt es auf einem Gleisbogen zu einer Rollradiendifferenz zwischen bogen- innerem und bogenäusserem Laufkreis, wodurch eine radiale Einstellbewegung des Radsatzes hervorgerufen wird
Für ein günstiges Verschleissverhalten ist ein möglichst geringer Anlaufwinkel zwischen Rad und Schiene erstrebenswert.
Zu diesem Zweck sollte der Radsatz in seiner Bewegungsfreiheit um die vertikale Achse möglichst wenig eingeschränkt sein Bei einem in dieser Art weich an das Fahrzeug angekoppelten Radsatz tritt beim Lauf in einer Geraden Sinus- oder Wellenlauf auf, der an sich ungefährlich ist Ab einer gewissen Geschwindigkeit schlägt der Sinuslauf jedoch plötzlich in den gefährlichen und verschleissenden Zickzacklauf um Diese Geschwindigkeitsgrenze wird als kritische Geschwindigkeit bezeichnet, sie bestimmt ganz wesentlich die höchste zulässige Geschwindigkeit des Fahrzeuges mit
Um dem Zickzacklauf entgegenzuwirken und eine hohe Grenzgeschwindigkeit zu erreichen, wird daher bekannterweise eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Rückstellkraft, die gegen eine radiale Verdrehung des Radsatzes wirkt, verwendet.
Beispielsweise wird die Rückstellkraft durch mindestens ein am Radsatz angreifendes elastisch federndes Element ausgeübt
Bei der Auslegung von Fahrwerken, die sowohl für hohe Geschwindigkeiten geeignet sind, als auch gute Bogenlaufeigenschaften (geringer Verschleiss) aufweisen, ergibt sich nunmehr folgende widersprüchliche Situation : Für gute Bogenlaufeigenschaften mit geringem Verschleiss soll der Radsatz weich an das Fahrzeug angekoppelt sein, d h. die Rückstellkraft ist gering, hingegen erfordern hohe Geschwindigkeiten eine grosse Rückstellkraft
Ein bekannter Lösungsansatz sieht vor, dass der Lenkausschlag des Radsatzes durch eine Zwangssteuerung eingestellt wird, d. h durch eine mechanische Kopplung des Lenkausschlages des Radsatzes mit einer weiteren vom Radius des Gleisbogens abhängigen mechanischen Grösse.
Diese Grösse ist z.B. der Auslenkwinkel zwischen einem zur Lagerung von zwei Radsätzen dienenden Drehgestell und dem Wagenkasten. Der Wendewinkel des Radsatzes wird dabei nicht durch die zwischen Rad und Schiene auftretenden Kräfte, sondern mechanisch aufgrund rein geometrischer Bedingungen erzeugt
Eine derartige Einrichtung zur kurvengerechten Steuerung eines Schienenfahrzeuges wird in der DE 1 215 192 B (Maschinenfabrik Augsburg-Nümberg) beschrieben. Die Kurveneinstellung erfolgt mittels Luftfederbälgen, in denen der Gasdruck zwischen Null und einem Maximalwert verändert werden kann
Aus der AT 381 282 B (Thyssen Industrie) geht eine hydraulische Achssteuerung hervor.
Diese Lösungen haben zwei wesentliche Nachteile- Einerseits sind sehr hohe Einstellgenauig- keiten bei der mechanischen Kopplung erforderlich, die im Betrieb nur mit hohem Aufwand erreicht werden können, andererseits können Drehgestellausdrehungen in einer Geraden aufgrund von Gleislagestörungen unerwünschte Radsatzauslenkungen und instabilen Lauf (Zickzacklauf) bewirken.
Die US 4 519 329 A (Vacher) offenbart ein Eisenbahndrehgestell mit einstellbaren Radsätzen Die Radsätze werden mittels hydraulischer Kolben-Zylinder-Einheiten in den Gleisbögen radial eingestellt, wobei die Radsätze - unabhängig vom Auslenkwinkel zwischen Drehgestell und Wagenkasten - zufolge ihrer elastischen Lagerung (Gummi) zusätzliche geringe Schwenk- bewegungen (Sinuslauf) ausführen können.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile der bekannten Lösungen zu vermeiden und eine verbesserte Einrichtung zur Steuerung eines Rades, insbesondere eines Rades von Schienefahr- zeugen zu schaffen, die sowohl bei hohen Geschwindigkeiten einen stabilen Geradeauslauf gewährleistet, als auch gute Bogenlaufeigenschaften mit niedrigem Verschleiss erzielt.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass das von einer Steuereinrichtung kraft-
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geregelte Stellglied eine vom Radius des Gleisbogens abhängige Gegenkraft aufbringt, welche dem federelastischen Element entgegenwirkt.
Wird für ein solches kraftgeregeltes Stellglied eine Kolben-Zylindereinheit verwendet, deren Hydraulikflüssigkeit mit einem bestimmten, der gewünschten Kraft entsprechenden Druck beauf- schlagt wird, so kann sich die Position des Kolbens im Zylinder dennoch während der Kurvenfahrt ändern Dadurch kann die Rückstellkraft bei der erfindungsgemässen Einrichtung hoch eingestellt werden, wodurch die gewünschte Stabilität des Fahrzeuglaufes mit einer hohen Grenzgeschwin- digkeit erreicht wird. Bei einer Kurvenfahrt wird in Abhängigkeit vom Radius des Gleisbogens eine gegen die Rückstellkraft wirkende Gegenkraft ausgeübt. Dadurch erzielt man einen Vorsteuereffekt des Radsatzes.
Dies bedeutet jedoch keine Zwangssteuerung, da die dem Gleisbogen exakt angepasste Winkelstellung des Radsatzes nach wie vor durch die zwischen Rad und Schiene auftretenden Kräfte selbständig eingestellt wird Das Ergebnis ist ein sehr geringer Anlaufwinkel zwischen Rad und Schiene und damit ein hervorragendes Verschleissverhalten. Die beiden gegensätzlichen Forderungen einer hohen Grenzgeschwindigkeit und guter Bogenlaufeigen- schaften wurden somit von der erfindungsgemässen Einrichtung in nahezu idealer Weise erfüllt.
Zur Erzielung eines optimalen Vorsteuereffektes wird die Stärke der Gegenkraft naherungs- weise umgekehrt proportional zur Grösse des Radius des Gleisbogens (bzw proportional zur Krümmung des Gleisbogens) eingestellt Dazu wird der Radius des Gleisbogens von einer an sich bekannten Einrichtung erfasst, beispielsweise unter Auswertung des Auslenkwinkels des Dreh- gestellrahmens gegenüber dem Wagenkasten Für die Funktion der erfindungsgemässen Ein- richtung ist es günstig, wenn die Grösse der Gegenkraft im wesentlichen unabhängig von der Stellposition des Stellgliedes ist, d. h. sie ist unabhängig von der Auslenkung des Radsatzes
Zur Einstellung der Stärke der Gegenkraft kann beispielsweise mindestens ein proportionales Druckregelventil, ein proportionales Druckbegrenzerventil oder eine druckgeregelte Pumpe verwendet werden.
Um Instabilitäten bei kleinen Auslenkungen im Geradeauslauf zu vermeiden, wird die gegen die Rückstellkraft wirkende Gegenkraft bevorzugterweise erst ab einem bestimmten Schwellenwert des erfassten Radius des Kreisbogens ausgeübt.
Weiters ist es denkbar, die Geschwindigkeit des Kraftanstieges durch eine geeignete Schaltung so nach oben hin zu begrenzen, dass schnelle Änderungen der Stellgrösse (z B Ausdreh- winkel des Drehgestells) nicht in gleichem Mass auf die Lenkbewegungen des Radsatzes wirken, sondern die Radsatz-Lenkbewegungen langsamer erfolgen
Weitere Einzelheiten der erfindungsgemässen Einrichtung werden anschliessend anhand der Zeichnungen erortert.
In diesen ist:
Abb 1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemässen Steuerung von zwei an einem Drehgestell gelagerten Radsatzen mit Hilfe einer Einrichtung zur Erzeugung einer Gegenkraft und einer elektrohydraulischen Regeleinrichtung, Abb 2 ein zweites Ausfuhrungsbeispiel der elektro- hydraulischen Regeleinrichtung, Abb. 3 ein Diagramm der Kennlinie der Rückstellkraft ohne (a) und in Kombination mit der Gegenkraft (b), Abb 4 zu einer baulichen Einheit zusammengefasste Einrichtungen zur Erzeugung der Rückstellkraft, sowie zur Erzeugung der Gegenkraft ;
5 eine schematische Darstellung eines einzeln aufgehängten Radsatzes
In Abb 1 sind zwei um eine vertikale Achse schwenkbare Radsätze 1,1' dargestellt, die an den beiden Enden eines ebenfalls um eine vertikale Achse schwenkbaren Drehgestelles 8 gelagert sind Die Radsätze 1,1' bestehen aus den Achsen 2, den Achslagern 3 und den Rädern 4, deren Laufflächen 5 mit einem konischen Profil versehen sind, das bei einer Bogenfahrt zu dem beschrie- benen Selbststeuereffekt führt Die Radsätze 1,1' werden dabei um einen Winkel # ausgelenkt bzw. ihre Achslager 3 um eine Strecke S verschoben
An den Achslagern 3 greifen federnde Elemente, beispielsweise Federn 6 an, die eine Rück- stellkraft ausüben, welche gegen eine Auslenkung # der Radsätze wirkt.
Mittels der erfindungs- gemässen Einrichtungen 7 kann eine Gegenkraft, die gegen die Rückstellkraft wirkt, ausgeübt werden
Die elektrohydraulische Regeleinrichtung 20 besteht aus einem Hydraulikflüssigkeits-Reservoir 21, einer Pumpe 22, einer Überdruck-Rücklauf 23, einer Drossel 24 und zwei elektronisch gesteuerten proportionalen Druckregelventilen 12,13, deren ausgangsseitiger Druck jeweils von einer Spannung eingestellt wird, die die Steuereinrichtung 11ausgibt
Bei einer Fahrt auf einem Gleisbogen verdreht sich das Drehgestell 2 gegenüber dem
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Wagenkasten (nicht dargestellt) um einen Winkel a, der proportional zur Krümmung des Gleis- bogens ist Mit Hilfe eines Aufnehmers 10, der in diesem Ausführungsbeispiel im wesentlichen ein Potentiometer beinhaltet,
wird der Auslenkwinkel a des Drehgestells in eine Steuerspannung U umgesetzt. Der Betrag dieser Spannung ist proportional zum Auslenkwinkel a (und damit zur Krümmung des Gleisbogens) und ihr Vorzeichen hängt von der Drehrichtung ab.
Schwellenglieder 30,31 überprüfen in der Folge den Betrag und das Vorzeichen der Spannung U Liegt U oberhalb eines bestimmten Schwellenwertes Uo, so wird die Spannung U auf den Ausgang des Schwellenghedes 30 durchgeschaltet Sie wird dann vom Verstärker 32 verstärkt und zur Ansteuerung des Druckregelventils 12 verwendet Dadurch werden die Kolben der Zylinder 7 über die Hydraulikleitung 40 mit einem Druck proportional U beaufschlagt.
Im entgegengesetzten Fall, wenn U unterhalb eines Schwellenwertes -Uo liegt, wird über den Verstärker 33 das Druckregelventil 13 angesteuert, wodurch die Kolben der Zylinder 7 über die Hydraulikleitung 41 mit einem Druck proportional U beaufschlagt werden.
Der Druck auf die Kolben der Zylinder 7 wird dabei immer auf die Weise ausgeübt, dass eine Kraft gegen die Rückstellkraft der Federn wirkt. Im Falle der in Abb. 1 gezeigten Auslenkung des Drehgestells im Uhrzeigersinn wird sich der obere Radsatz um einen bestimmten Winkel # im Uhrzeigersinn verstellen Die Federn 6 uben gegen diese Auslenkung eine Rückstellkraft aus. Um eine Kraft gegen die Rückstellkraft aufzubringen, muss der linke Kolben des oberen Radsatzes auf seiner achsfemen, der rechte auf seiner achsnahen Seite mit einem entsprechenden Druck beaufschlagt werden.
Falls U im Bereich zwischen -Uo und Uo liegt, sind beide Ausgänge der Schwellenglieder 30,31 spannungslos und die Ausgänge der Druckregelventile sind drucklos, sodass auf die Kolben der Zylinder 7 keine Kraft ausgeübt wird Dies gewährleistet einen stabilen Geradeauslauf, auch wenn dabei kleine Auslenkungen des Drehgestells auftreten Wenn die Ausgänge der beiden Schwellenglieder 30,31 spannungslos sind, so gilt dies auch für den Ausgang des ODER-Gatters 34 Ein Schaltelement 35 stellt dann nach einer vorgegebenen Zeitverzögerung über einen Schalter 36 den Pumpenmotor 22a ab. Die Pumpe 22 arbeitet somit nur bei Kurvenfahrten.
Eine alternative Ausführung der elektrohydraulischen Regeleinrichtung 20 ist in Abb 2 gezeigt Die Steuerspannung U steuert hier zwei elektronisch gesteuerte proportionale Druckbegrenzungs- ventile 112,113 der Firma Mannesmann Rexroth, Typ DBETE St/200 624 In diesem Fall ist zur Ansteuerung der Ventile nur ein Invertierer 111 notwendig, der für das Ventil 113 das Vorzeichen der Steuerspannung umkehrt.
Die Ventile 112,113 sprechen nur auf positive Werte von U an, wodurch in Verbindung mit dem Invertierer 111 die mit Druck zu beaufschlagende Hydraulikleitung 140 oder 141 selektiert wird Die Ventile 112, 113 besitzen ausserdem eine Einstellung zur Vorgabe eines Schwellenwertes Uo für die Spannung U, unterhalb dessen kein Druck auf die Kolben ausgeübt wird Weiters gibt es die Möglichkeit, einen Grenzwert für die maximale Anstiegs- geschwindigkeit des Druckes vorzugeben Diese Ausführungsform hat gegenüber der Regelein- richtung aus Abb 1 den Vorteil, dass bei einer Steuerspannung U < Uo kein Druck im Pumpenkreis- lauf aufgebaut wird, sodass die Pumpe in energetisch günstiger Weise im Leerlauf arbeiten kann.
Die Funktionsweise der erfindungsgemässen Einrichtung kann am einfachsten anhand Abb 3 erklärt werden In Abb 3a ist die Abhängigkeit der Rückstellkraft von der Achslagerverschiebung s (siehe Abb. 1) als Gerade Fx=c.S eingezeichnet, mit c der Federkonstanten. Die Kraftschlussgrenze FG zwischen Schiene und Rädern gibt die maximale Grösse der radialen Einstellkraft aufgrund des Selbststeuereffektes an. Der Schnittpunkt von Fx und FG bestimmt in einer konventionellen Achs- steuerung die maximale Achslagerverschiebung Sm, die bei einer Bogenfahrt gegen die Rückstell- kraft erreichbar ist Die ideale Achslagerverschiebung, bei der der Lenkausschlag des Radsatzes optimal an den Radius des Gleisbogens angepasst ist, kann demgegenüber jedoch bei einem grösseren Wert S, liegen.
Besonders bei harten Federn mit einer grossen Federkonstanten c, die hohe Grenzgeschwindigkeiten erlauben, liegt bei einem kleinen Radius des Gleisbogens Sm weit unterhalb von Sll sodass ein grosser Anlaufwinkel zwischen Rad und Schiene mit einem ungünstigen Verschleissverhalten die Folge ist.
Abb 3b zeigt die Verhältnisse bei der erfindungsgemässen Einrichtung. Die Gegenkraft gegen die Rückstellkraft kann als Verschiebung der Geraden Fx um einen Wert Fy nach unten dargestellt werden. Fy entspncht dabei der Kraft, mit der die Zylinder 7 (siehe Abb. 1) beaufschlagt werden.
Die Grösse von Fy wird so gewählt, dass die verschobene Gerade Fx' die x-Achse etwa bei S,
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schneidet. Fy muss aber nicht sehr genau eingestellt werden, sondern kann in einem relativ grossen Bereich liegen, der dadurch gegeben ist, dass der Schnittpunkt von Fx' mit der x-Achse innerhalb des freien Einstellbereiches FE zwischen Sl-Sm und S,+Sm liegt, innerhalb dessen sich der Radsatz selbständig auf den optimalen Lenkausschlag S, einstellen kann.
Da S, proportional zum Radius des Gleisbogens ist, muss auch Fy in etwa proportional zum Gleisbogen sein, damit der x-Achsenschnittpunkt von Fx bei jeder Krümmung des Gleisbogens zwischen SrSm und S,+Sm liegt. Die Proportionalitätskonstante von Fy ist durch die Federkonstante c der Rückstellfeder bestimmt.
Eine andere mögliche Ausführungsform der erfindungsgemässen Einrichtung wird in Abb. 4 gezeigt. In dieser sind die Einrichtungen zur Erzeugung der Rückstellkraft und zur Erzeugung der Gegenkraft zu einer baulichen Einheit zusammengefasst Dazu wird ein hydraulischer oder pneumatischer Kolben 70 gegen den Zylinder 71, in dem er geführt wird, elastisch verspannt, beispielsweise in der gezeigten Art mit einer Feder 72. Über Hydrauhkleitungen 73,74 kann der Zylinder bei einer Auslenkung der Feder mit einem Druck gegen die Kraft der Feder beaufschlagt werden.
Zur Anwendung der Erfindung müssen nicht jeweils zwei Radsätze gemeinsam an einem Drehgestell gelagert sein. Wie in Abb. 5 gezeigt, ist ebenso bei einzeln gelagerten Radsätzen 1 die Anbringung von Einrichtungen 7 möglich, die eine Gegenkraft gegen die Rückstellkraft von federnden Elementen 6 ausüben Die Einrichtung zur Erfassung des Gleisbogenradius kann in diesem Fall natürlich nicht den Auslenkwinkel eines Drehgestells ausnutzen, sondern muss auf eine andere Art arbeiten. Beispielsweise liesse sich der Winkel zwischen zwei Wagenkästen zur Erfassung des Gleisbogenradius heranziehen. Weiters sind zu diesem Zweck Hilfsräder oder optische Einrichtungen denkbar und möglich. Diese alternative Einrichtungen zur Erfassung des Gleisbogenradius können natürlich auch bei auf einem Drehgestell gelagerten Radsätzen verwendet werden.
Weiters ist es denkbar und möglich, auch bei einzeln gelagerten Rädern Einrichtungen zur Ausübung einer Rückstellkraft und einer Gegenkraft gegen die Rückstellkraft auf analoge Weise wie bei Radsätzen anzubringen.
Zur Ausübung der Rückstellkraft können alle denkbaren federnden Einrichtungen eingesetzt werden, wie beispielsweise Gummibälge oder Pneumatikfedem Zur Ausübung der Gegenkraft kommen alle krafterzeugenden Elemente infrage, die eine im wesentlichen ortsunabhängige Kraft erzeugen, beispielsweise Hydraulikzylinder, Pneumatikzylinder oder Luftfederbälge
PATENTANSPRÜCHE:
1. Einrichtung zur Steuerung eines Rades, insbesondere eines Radsatzes eines Schienen- fahrzeuges mit mindestens einem, eine gegen einen Lenkausschlag des Rades bzw.
Radsatzes eine Rückstellkraft aufbringenden federelastischen Element und mit mindes- tens einem das Rad bzw den Radsatz steuernden, insbesondere hydraulischen oder pneumatischen Stellglied, dadurch gekennzeichnet, dass das von einer Steuereinrichtung (20) kraftgeregelte Stellglied (7) eine vom Radius des Gleisbogens abhängige Gegenkraft aufbringt, welche dem federelastischen Element entgegenwirkt.