CN102448790A - 具有侧倾补偿功能的车辆 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种车辆，特别是轨道车辆，包括一车身(102)和一侧倾补偿装置(105)，所述车身借助一弹簧装置(103)沿一车辆竖轴方向支承在一行走机构(104)上，所述侧倾补偿装置与所述车身(102)和所述行走机构(104)耦合。所述侧倾补偿装置(105)特定而言可与所述弹簧装置(103)运动并联布置。所述侧倾补偿装置(105)在车辆转弯时对所述车身(102)绕一平行于一车辆纵轴的侧倾轴朝弯道外侧的侧倾运动施加阻力。为提高倾斜舒适度，所述侧倾补偿装置(105)可以在所述车身(102)沿一车辆横轴方向进行一第一横向偏斜时，在一第一频率范围内将一绕所述侧倾轴的第一侧倾角外加于所述车身(102)，所述第一侧倾角与一当前轨道段的一当前曲率相对应。此外为提高振动舒适度，所述侧倾补偿装置(105)还可在一第二频率范围内将一与所述第一横向偏斜相叠加的第二横向偏斜外加于所述车身(102)，其中，所述第二频率范围至少部分(特定而言完全)高于所述第一频率范围。

Description

具有侧倾补偿功能的车辆
技术领域
本发明涉及一种车辆，特别是轨道车辆，包括车身和侧倾补偿装置，所述车身借助弹簧装置沿车辆竖轴方向支承在行走机构上，所述侧倾补偿装置与所述车身和所述行走机构耦合，其中，所述侧倾补偿装置特定而言与所述弹簧装置运动并联布置。车辆转弯时，侧倾补偿装置对车身绕平行于车辆纵轴的侧倾轴朝弯道外侧的侧倾运动施加阻力，其中为提高倾斜舒适度，侧倾补偿装置可以在车身沿车辆横轴方向进行第一横向偏斜时，在第一频率范围内将绕侧倾轴的第一侧倾角外加于车身，该第一侧倾角与当前轨道段的当前曲率相对应。本发明还涉及一种调节车辆车身侧倾角的方法。
背景技术
轨道车辆的车身一般是通过一个或多个弹簧级悬挂安装在车轮单元(例如轮对或轮副)上，其它类型的车辆也是如此。车辆转弯时会在横向于行驶运动以及横向于车辆纵轴的方向上受到离心加速度的作用，由于车身重心较高，车身有可能相对于车轮单元朝弯道外侧倾斜，即绕平行于车辆纵轴的侧倾轴做侧倾运动。
这种侧倾运动超过一定极限值时会影响乘坐舒适度。还有可能超越允许限界，使单侧车轮承受不允许的负荷，从而危及车辆的抗倾覆稳定性和脱轨安全性。为避免发生这些情况，通常会使用形式为横向稳定器形式的防倾装置。这种装置的任务是在车身相对于车轮单元的上升下沉运动不受影响的情况下，对车身的侧倾运动施加阻力以减轻侧倾程度。
现有技术中存在各种各样基于液压或纯机械作用原理的横向稳定器。通常使用例如EP 1 075 407 B1中所公开的横向于车辆纵向延伸的扭力轴。扭力轴上固定有以抗扭转方式安装在车辆纵轴两侧的沿车辆纵向延伸的杠杆。这些杠杆又和与车辆弹簧装置运动并联布置的控制杆或类似元件相连。车辆的弹簧装置压缩时，固定在扭力轴上的杠杆在与之相连的控制杆作用下开始旋转。
车辆转弯发生侧倾运动时，如果车辆两侧的弹簧装置的弹簧行程彼此不同，固定在扭力轴上的杠杆就会产生不同的旋转角。在此情况下，扭力轴会受到扭矩的作用，达到一定扭转角(具体大小视扭力轴的抗扭刚度而定)时，扭力轴通过弹性变形所产生的反力矩将该扭矩抵消，从而阻止车辆发生进一步的侧倾。配备转向架的轨道车辆既可为次弹簧级设置防倾装置，即，防倾装置在行走机构框架和车身之间发生作用。也可在主弹簧级中使用防倾装置，即，防倾装置在车轮单元和行走机构框架或车身(适用于未设二系悬挂的情况)之间发生作用。
例如EP 1 190 925 A1中所公开的同类型轨道车辆也采用上述横向稳定器。在该文献所公开的轨道车辆中，横向稳定器的两个控制杆的上端(在垂直于车辆纵轴的平面内)朝车辆中心偏移。这样一来，车身在沿车辆横向偏斜(例如由车辆转弯时的离心加速度引起)时就会受到相应导引，车身朝弯道外侧的侧倾运动受到抑制，在外力作用下发生朝弯道内侧的侧倾运动。
这种朝弯道内侧的反向侧倾运动的另一个作用是提高车辆乘客的倾斜舒适度。一般情况下，“倾斜舒适度高”指的是车辆转弯时，乘客在其参考系(通常由车身的内部结构如底板、壁部、座椅等等界定)的横向上尽可能感受最小横向加速度这一事实。车身因侧倾而朝弯道内侧倾斜后，至少一部分(具体大小视倾斜程度而定)在地固系中实际产生作用的横向加速度给乘客的感觉仅仅是车辆底板方向上的加速度有所提高，一般情况下这并不会给乘客带来多大的不适感。
在乘客的参考系中发生作用的横向加速度的允许最大值(以及从中得出的车身倾斜角额定值)通常由轨道车辆的运营商规定。相关依据另见有关的国家及国际标准(例如EN 12299)。
EP 1 190 925A1中所公开的车辆能够实现纯被动式系统，悬挂系统的组件与横向稳定器的组件彼此相配，其中仅借助车辆转弯时起作用的横向加速度来使车身发生程度符合要求的倾斜。
这种被动式解决方案一方面要求侧倾轴或侧倾运动的瞬心在车身重心上方较远处。另一方面要求悬挂系统在横向上采用较为柔性的设计，以便仅借助有效离心力就能获得想要的偏斜效果。这种横向柔性悬挂能吸收抑制横向冲击，因而还能对横向上的振动舒适度产生有利影响。
然而，这些被动式解决方案也有其弊端：横向柔性悬挂和较高的瞬心无论在正常还是非常规运行情况(例如，车辆意外停靠在超高度极大的轨道弯曲段)下都会在横向上引起较大的横向偏斜，从而导致按常规条件确定的限界被超越，而若想避免这种情况，就只能减小车身宽度，降低运力。
需要达到一定侧倾角时，可以通过转移侧倾轴或瞬心来缓解偏斜较大这一问题。但是这种方法只能被动地达到较小的侧倾角。其结果是系统的横向刚度变大，最终导致倾斜舒适度和振动舒适度都下降。
EP 1 190 925 A1所提出的车辆也可以借助连接在车身和行走机构框架之间的执行器来主动地对与当前轨道弯曲段的曲率和当前行驶速度(以及由此产生的当前横向加速度)相对应的侧倾运动施加影响或进行调节。根据当前轨道曲率和当前行驶速度测定车身侧倾角的额定值，而后再由执行器根据该额定值来调节侧倾角。
这种方案虽能实现横向刚度较大、横向偏斜度较小的系统。但其缺点是执行器所产生的横向刚度有损于振动舒适性，从而致使例如行走机构上受到的横向冲击(例如经过轨道道岔或障碍点时所产生的横向冲击)只经小幅削减后被传递到车身上。
为至少能消除横向刚性悬挂所引起的振动舒适度方面的缺点，WO 90/03906A1针对被动式系统提出增设一个长度较短且与侧倾补偿装置运动串联的横向柔性弹簧级。但这种解决方案的缺点是，附加组件的设置要求提供更大的安装空间。此外，上文中提到的横向偏斜度较大或者运力降低等问题依然存在。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种车辆和一种如前述类型的方法，这种车辆或方法完全或至少很大程度上消除了上述缺点，特别是可以在保证车辆运力较高的情况下，以简单而可靠的方式使乘客获得较高的出行舒适度。
在如权利要求1前序部分所述的车辆方面，本发明用来达成上述目的的解决方案是权利要求1特征部分所给出的特征。在如权利要求17前序部分所述的方法方面，本发明用来达成上述目的的解决方案是权利要求17特征部分所给出的特征。
本发明的技术原理如下：如果选用通过主动式侧倾补偿装置实现的主动式解决方案，并且该侧倾补偿装置在至少部分高于第一频率范围的第二频率范围内将第二横向偏斜(及视情况绕侧倾轴的第二侧倾角)外加于车身，就能以简单而可靠的方式在保证车辆高运力的情况下使乘客获得较大的出行舒适度。借此可在产生于第一侧倾角的横向偏斜上叠加第二横向偏斜(及视情况第二侧倾角)，其中，第一横向偏斜的调节就是使侧倾角和横向偏斜与当前轨道曲率及当前行驶速度准静态匹配，第二横向偏斜的调节就是使横向偏斜与车身受到的当前干扰因素动态匹配。
也即，在第一频率范围内通过第一侧倾角和第一横向偏斜可以提高倾斜舒适度，而在(至少部分高于第一频率范围的)第二频率范围内通过第二横向偏斜(及视情况第二侧倾角)则可以提高振动舒适度。将侧倾补偿装置实施为主动式系统(至少在第二频率范围内是主动式系统)的优点是，行走机构对车身的支承在车辆横向上的刚度比较大，特别是可以将车身的侧倾轴或瞬心设置在距车身重心较近的位置上，从而获得横向偏斜较小的期望侧倾角，另外当主动组件发生故障时，可以使车身最大程度地被动复位至空档位置。正常运行时的较小横向偏斜以及故障情况下的被动复位措施的优点是，可以实现特宽高运力车身。
在此需要指出的是，第二横向偏斜并不一定伴随与侧倾补偿装置的(静态)运动机制相对应且在第二频率范围内与第一侧倾角叠加的第二侧倾角产生，具体视侧倾补偿装置的设计和连接方式而定。举例而言，如果侧倾补偿装置与行走机构和/或车身之间是柔性较大的弹性连接，第二频率范围内的惯性力就会在一定限度上引起车身的横向运动与(在慢速准静态条件下)由侧倾补偿装置的运动机制规定的侧倾运动的运动去耦。也即，侧倾补偿装置与行走机构及车身的连接刚度越大，侧倾补偿装置本身的刚度越大，发生这种去耦的概率就越小。因此，当侧倾补偿装置本身采用刚性设计和刚性连接时，第一侧倾角最终会在第二频率范围内与第二侧倾角叠加。
因此，本发明的第一方面涉及一种车辆，特别是轨道车辆，其包括车身和侧倾补偿装置，所述车身借助弹簧装置沿车辆竖轴方向支承在行走机构上，所述侧倾补偿装置与所述车身和所述行走机构耦合。侧倾补偿装置特定而言可与弹簧装置运动并联布置。车辆转弯时，侧倾补偿装置对车身绕平行于车辆纵轴的侧倾轴朝弯道外侧的侧倾运动施加阻力。为提高倾斜舒适度，侧倾补偿装置可以在车身沿车辆横轴方向进行第一横向偏斜时，在第一频率范围内将绕侧倾轴的第一侧倾角外加于车身，该第一侧倾角与当前轨道段的当前曲率相对应。此外为提高振动舒适度，侧倾补偿装置还可在第二频率范围内将与第一横向偏斜相叠加的第二横向偏斜外加于车身，其中，第二频率范围至少部分(特定而言完全)高于第一频率范围。
所述侧倾补偿装置可以设计成仅在第二频率范围内起作用，即只对第二横向偏斜及视情况第二侧倾角进行主动调节，第一侧倾角则是完全通过车辆转弯时作用于车身的横向加速度及其所产生的离心力得到被动调节。但也可以在两个频率范围内借助侧倾补偿装置对侧倾角或横向偏斜进行有可能得到离心力支持的至少部分主动调节。最后还可以将侧倾补偿装置设置为仅对侧倾角或横向偏斜进行主动调节。这一点适用于以下情况：车身的侧倾轴或瞬心与车身重心重合或靠近车身重心，以至于离心力不会对侧倾运动或横向偏斜的产生起作用(或者至少不会起多大作用)。
所述侧倾补偿装置原则上可采用任何一种合适的设计方式。所述侧倾补偿装置优选包括执行装置，该执行装置包括至少一个由控制装置控制的执行单元，该执行单元的执行力构成用以调节车身的侧倾角或横向偏斜的力的至少一个分量。如果是在第一频率范围内对侧倾角或横向偏斜进行至少部分主动调节，则所述执行装置至少主要用于大致产生第一侧倾角或第一横向偏斜，以便在第一频率范围内产生第一侧倾角。
第一频率范围优选是发生与当前轨道弯曲段的当前曲率及当前行驶速度相符的准静态侧倾运动的频率范围。这个频率范围可以根据具体的指定道路网络和/或车辆运营商的具体规定(例如将车辆用于短程交通、长途运输，尤其是高速交通运输等等)做相应改动。第一频率范围优选为0Hz至2Hz，特定而言为0.5Hz至1.0Hz。第二频率范围的带宽与之相似，当然，第二频率范围是与车辆运行过程中预期会出现的动态干扰因素相对应的频率范围，这些干扰因素可能是周期性的，但更多的是偶发性或统计分布性干扰因素，能够被乘客感受到且会给乘客带来不适感。因此，第二频率范围优选为0.5Hz至15Hz，特定而言为1.0Hz至6.0Hz。
原则上可以让侧倾补偿装置仅当车辆在弯道上转弯时(至少在第二频率范围内)对侧倾角或横向偏斜进行主动调节，也即，侧倾补偿装置仅在这种行车条件下起作用。侧倾补偿装置优选在车辆直行时也起作用，从而也确保此类行车条件下的振动舒适性。
根据本发明车辆的优选方案，借助侧倾补偿装置限制车身相对于车身空档位置的横向偏斜(即沿车辆横向的偏斜)。空档位置由车辆停靠于平直轨道时的车身位置定义。这种方案的优点是可以实现能遵守轨道车辆运营商所规定的限界的特宽高运力车身。可以借助侧倾补偿装置的任何一个合适组件实现横向偏斜限制。优选由侧倾补偿装置的执行装置实施这种横向偏斜限制，因为这样能实现特别紧凑、特别节省空间的结构。
如上所述，对横向偏斜的限制可与车辆运营商的限界规定相适应。更优选的方案是，侧倾补偿装置(尤其是侧倾补偿装置的执行装置)所采用的设计使得车辆转弯时，车身沿车辆横向朝弯道外侧偏离空档位置的第一最大横向偏斜限于80mm至150mm，优选限于100mm至120mm。从遵守规定限界角度看，鉴于横向偏斜限制对行走机构(沿车辆纵向)布置在车身下方中央的车辆特别重要，因此针对行走机构布置在车身末端区域的车辆，对朝弯道内侧的横向偏斜进行相应限制很有必要。因此作为补充或替代方案，车辆转弯时车身沿车辆横向朝弯道内侧偏离空档位置的第二最大横向偏斜限于0mm至40mm，优选限于20mm。当然在本发明的某些方案中，也可以让车身在车辆转弯时朝弯道内侧偏离空档位置的第二最大横向偏斜为负值，例如-20mm。也即，这种情况下的车身即使在弯道内侧也会朝弯道外侧偏斜，从而达到特宽车身也能遵守规定限界的目的。
如上所述，优选可通过侧倾补偿装置的执行装置实现横向偏斜限制。为此，该执行装置优选实施为用于为车身的侧倾运动定义至少一个端部止挡的端部止挡装置。为此可设置由执行装置的结构所定义的止挡(例如普通的机械止挡)。执行装置优选可按具体情况相应定义车身侧倾运动的至少一个端部止挡的位置。换言之，执行装置可以通过在其调节行程的任意位置上进行主动锁定(例如，通过相应为执行装置供电)和/或被动锁定(例如，通过让采用自锁设计的执行装置停止工作)来自由定义这个止挡。
所述侧倾补偿装置的执行装置原则上可采用任何一种合适的设计方式。优选方案是，执行装置不工作时基本上不会对车身的侧倾运动施加阻力，最多只会施加较小阻力。也即，执行装置优选不采用自锁设计，从而保证车身能够在执行装置发生故障时复位至空档状态。
根据本发明车辆的优选方案，所述侧倾补偿装置所采用的设计使得当侧倾补偿装置的主动组件发生故障时，车辆还能实施应急运行，舒适性(尤其是倾斜舒适度和/或振动舒适度)可能会有所降低，但能遵守规定限界。
因此，优选方案是，所述弹簧装置在侧倾补偿装置的执行装置不工作时对车身施加绕侧倾轴的复位力矩，该复位力矩在执行装置不工作时的大小使得当车身处于额定负荷状态以及当车辆停靠在最大允许超高段时，车身偏离空档位置的横向偏斜小于10mm至40mm，优选小于20mm。换言之，弹簧装置(特别是其沿车辆横向的刚度)优选如此设计，使得车辆出于任何原因(例如车辆或车道受损)而停靠于如上述这般不利位置时，仍能遵守规定限界。
作为补充或替代方案，所述复位力矩在执行装置不工作时的大小使得当车身处于额定负荷状态以及当车辆沿车辆横轴方向作用的横向加速度达到允许最大值时，车身偏离空档位置的横向偏斜小于40mm至80mm，优选小于60mm。换言之，所述弹簧装置(特别是其沿车辆横向的刚度)优选如此设计，使得车辆因执行装置发生故障而以正常行驶速度应急运行时，仍能遵守规定限界。
行走机构对车身的支承刚度(尤其是沿车辆横向的刚度)可具有任何一种与横向偏斜相关的合适特性。举例而言，可以设置横向刚度相对于横向偏斜的线性或递增特性。但优选设置递减特性，因此车身最初发生偏离空档位置的横向偏斜时会遇到较大阻力，但该阻力会随着偏斜度的增大而减小。这对车辆转弯时在第二频率范围内对第二侧倾角进行动态调节是有利的，因为侧倾补偿装置只需为第二频率范围内的这种动态偏斜提供较小的力。
因此优选方案是，由所述弹簧装置定义复位特性曲线，该复位特性曲线描述复位力矩与侧倾角偏斜度之间的关联，且呈递减分布。原则上可根据实际应用以任何一种合适的方式对复位特性曲线的分布进行调整。复位特性曲线优选在第一侧倾角范围或第一横向偏斜范围内具有第一斜率，在第一侧倾角范围或第一横向偏斜范围以上的第二侧倾角范围或第二横向偏斜范围内具有小于第一斜率的第二斜率，其中，第二斜率与第一斜率之比特定而言为0至1，优选为0至0.5。这两个侧倾角范围或横向偏斜范围可以任何一种适当的方式进行选择。第一横向偏斜范围优选为0mm至60mm，特定而言为0mm至40mm，第二横向偏斜范围特定而言为20mm至120mm，优选为40mm至100mm。侧倾角范围则根据具体所规定的运动机制与横向偏斜范围相对应。
当然，本发明主要根据主动组件发生故障时还能达到的横向偏斜来确定弹簧装置的特性。其中，第一斜率通常定义主动组件发生故障时的剩余横向行程，第二斜率则决定偏斜较大时的执行力，并且尽可能保证偏斜较大时的这种执行力保持较低水平。因此，第二斜率优选尽量接近零值。必要时甚至可以设置负值的第二斜率。
为使车身能按上述方式复位至空档状态，行走机构对车身可以具有任何一种合适的支承刚度。这里可设置与横向偏斜基本无关的刚度。但优选方案仍然是，弹簧装置沿车辆横轴方向的横向刚度与车身沿车辆横轴方向偏离空档位置的横向偏斜有关，因此当车身发生离空档位置较近的偏斜时，起主要作用的是另一刚度(例如比偏斜度较大时的刚度大)。从车辆转弯时对第二侧倾角的动态调节角度看，通过这种方式也能实现上述优点。
所述弹簧装置优选在第一横向偏斜范围内具有第一横向刚度，在第一横向偏斜范围以上的第二横向偏斜范围内具有第二横向刚度，第二横向刚度小于第一横向刚度。当然，该横向刚度可以在相应的横向偏斜范围内有一定变化。此外，原则上可用任何一种适当的方式，根据实际应用相应调整与横向偏斜有关的横向刚度分布。
第一横向刚度优选处于100N/mm至800N/mm范围内，更优选处于300N/mm至500N/mm范围内，第二横向刚度优选处于0N/mm至300N/mm范围内，更优选处于0N/mm至100N/mm范围内。两个横向偏斜范围同样可以按照实际应用以任何一种适当的方式进行相应选择。第一横向偏斜范围优选为0mm至60mm，特定而言为0mm至40mm，第二横向偏斜范围优选为20mm至120mm，更优选为40mm至100mm。这样就能在以最小能耗限制车身的最大横向偏斜方面，实现特别有利的设计。
优选可以通过对弹簧装置(特别是其横向刚度)进行相应设计来实现上文中所提到的车辆在侧倾补偿装置的一个或多个主动组件发生故障时的有利特性。
因此，一种能让车辆在这种应急运行状态下获得有利特性的优选方案是，所述弹簧装置在车辆横轴方向上具有横向刚度，其中，弹簧装置的横向刚度的大小使得在侧倾补偿装置的执行装置不工作的情况下，当车辆转弯时其沿车辆横轴方向作用的横向加速度达到最大允许值时，车身沿车辆横向朝弯道外侧偏离空档位置的第一最大横向偏斜限于40mm至120mm，优选限于60mm至80mm。作为补充或替代方案，车身沿车辆横向朝弯道内侧偏离空档位置的第二最大横向偏斜限于0mm至60mm，优选限于20mm至40mm。侧倾角范围则根据具体所规定的运动机制同样与上述横向偏斜范围相对应。
作为进一步的补充或替代方案(针对车辆停靠时的有利特性)，所述弹簧装置的横向刚度的大小使得在侧倾补偿装置的执行装置不工作的情况下，当车身处于额定负荷状态以及当车辆停靠在最大允许超高段时，车身偏离空档位置的横向偏斜(及相应的侧倾角偏斜度)小于10mm至40mm，优选小于20mm。
所述侧倾补偿装置的主动组件原则上可采用任何一种合适的设计方式。如前文所述，优选设有至少一个执行装置，该执行装置连接在车身和行走机构之间，用于实现第二频率范围内的侧倾角调节。优选使用特别简单耐用的线性执行器，线性执行器优选对移动行程和/或执行力进行相应限制，以便能满足第二频率范围的横向偏斜或侧倾角动态调节要求。
根据本发明车辆动态特性特别有利的方案，所述侧倾补偿装置所采用的设计使得该侧倾补偿装置的执行装置在第一频率范围内偏离空档位置的最大偏斜为60mm至110mm，优选为70mm至85mm，作为补充或替代方案，其在第二频率范围内偏离起始位置的最大偏斜为10mm至30mm，优选10mm至20mm。在最大执行力方面可以进一步设定，执行装置在第一频率范围内施加的最大执行力为10kN至40kN，优选为15kN至30kN，在第二频率范围内施加的最大执行力为5kN至35kN，优选为5kN至20kN。
根据本发明车辆的优选方案，车身处于空档位置时，车身侧倾轴与车身重心之间沿车辆竖轴方向的距离与实际应用相适应。车身重心通常在轨道上方(一般是轨道上缘SOK上方)具有第一高度(H1)，而侧倾轴在空档位置上沿车辆竖轴方向在轨道上方具有第二高度(H2)。第二高度和第一高度之差(H2-H1)与第一高度(H1)的比率最大为2.2，优选最大为1.3，更优选为0.8至1.3。第二高度与第一高度之差(H2-H1)特定而言可在1.5m与大约4.5m之间，优选约为1.8m。由此而实现的设计从上述横向偏斜限制和宽车身高运力的可实现性角度看特别有利。
所述侧倾补偿装置原则上可采用任何一种合适的设计方式，以便实现两个频率范围的车身侧倾角调节。根据本发明车辆的特别简单的方案，所述侧倾补偿装置包括防倾装置，该防倾装置与弹簧装置运动并联布置，用于在车辆直行时对车身绕侧倾轴的侧倾运动施加阻力。这种防倾装置早已为人熟知，此处不再详加说明。这种防倾装置可基于不同的作用原理。例如基于纯机械作用原理。但也可以采用流体学(例如液压)解决方案、机电解决方案或所有这类原理的任意组合。
根据一种特别简单的方案，所述防倾装置包括两个控制杆，所述控制杆的一端分别铰接在车身上，另一端分别与安装在行走机构上的扭力元件的相对两端铰接，具体参见上文。
作为补充或替代方案，所述侧倾补偿装置还可包括与弹簧装置运动串联布置的导引装置。该导引装置包括布置在行走机构和车身之间的导引元件，可以在车身侧倾时定义导引元件相对于车身或行走机构的运动。所述导引装置同样可采用任何一种合适的设计方式，以便完成上述导引任务。举例而言，可以通过导引元件在导轨上滑动和/或滚动来实现。
根据本发明车辆的特别简单耐用的方案，所述导引装置特定而言包括至少一个叠层弹簧装置。该叠层弹簧装置可实施为普通的橡胶叠层弹簧，其叠层朝车辆竖轴和车辆横轴倾斜，从而定义车身的侧倾轴。
在此需要指出的是，为侧倾补偿装置配置叠层弹簧装置以定义车身侧倾轴的设计是一种应单独受到保护的发明思路，它与上文中提到的第一和第二频率范围的侧倾角调节无关。
本发明对车身在行走机构上的支承方式不作限制。举例而言，可以使用将车身直接支承在车轮单元上的单级悬挂。特别有利的一点是可以使用两级悬挂。据此，所述行走机构优选包括行走机构框架和至少一个车轮单元，所述弹簧装置则具有一系悬挂和二系悬挂。行走机构框架通过一系悬挂支承在车轮单元上，车身则通过特定而言实施为空气悬挂的二系悬挂支承在行走机构框架上。侧倾补偿装置优选以与二系悬挂运动并联的方式布置在行走机构框架和车身之间。这样一来，本发明可以整合到大部分的常用车辆中。
所述弹簧装置的刚度(尤其是横向刚度)视情况可以仅取决于所述一系悬挂和二系悬挂。弹簧装置优选包括横向弹簧装置，其作用是根据实际应用对弹簧装置的横向刚度进行相应调整或优化。在横向刚度得到优化的同时，这样还能简化弹簧装置的设计。该横向弹簧装置可以一端与行走机构框架相连，另一端与车身相连。作为补充或替代方案，该横向弹簧装置也可一端与行走机构框架或车身相连，另一端与侧倾补偿装置相连。
所述横向弹簧装置优选用于提高所述弹簧装置沿车辆横轴方向的刚度。它可以具有与实际应用匹配的特性。该横向弹簧装置优选具有递减的刚度特性，以便最终使弹簧装置获得递减的刚度特性。
根据本发明车辆的优选实施方案，所述弹簧装置还包括布置在行走机构中央的应急弹簧装置，它的作用是保证车辆在弹簧装置的支承组件发生故障时也能实施应急运行。该应急弹簧装置原则上可采用任何一种适当的设计方式。该应急弹簧装置优选采用能为侧倾补偿装置的补偿作用提供支持的设计方式。为此，该应急弹簧装置可以包括能一起做补偿运动的滑动和/或滚动导引装置。
本发明还涉及一种对车辆(尤其是轨道车辆)车身绕平行于车辆纵轴的侧倾轴的侧倾角进行调节的方法，所述车身借助弹簧装置沿车辆竖轴方向支承在行走机构上，其中，对所述侧倾角进行主动调节。车辆转弯时，对车身绕平行于车辆纵轴的侧倾轴朝弯道外侧的侧倾运动施加阻力，其中为提高倾斜舒适度，在车身沿车辆横轴方向进行第一横向偏斜时，在第一频率范围内将绕侧倾轴的第一侧倾角外加于车身，该第一侧倾角与当前轨道段的当前曲率相对应。为提高振动舒适度，在第二频率范围内将与第一横向偏斜相叠加的第二横向偏斜外加于车身，其中，第二频率范围至少部分(特定而言完全)高于第一频率范围。这样可以同等程度地实现上文联系本发明车辆所说明的方案与优点，具体参见上文。
附图说明
本发明的其它优选实施方案参见从属权利要求和下文联系附图所说明的优选实施例。其中：
图1为本发明车辆的一种优选实施方式处于空档位置时(沿图3中的I-I线截取)的剖视图；
图2为图1所示车辆转弯时的剖视图；
图3为图1所示车辆的侧视图；
图4为图1所示车辆的局部透视图；
图5为图1所示车辆的弹簧装置的横向力-行程特性曲线；
图6为本发明车辆的另一种优选实施方式处于空档位置时的剖视图；
图7为本发明车辆的另一种优选实施方式处于空档位置时的剖视图。
具体实施方式
第一实施例
下面参照图1至图5对本发明车辆的第一优选实施例进行说明，本发明的车辆形式为轨道车辆101，具有车辆纵轴101.1。
图1为车辆101垂直于车辆纵轴101.1的剖面图。车辆101包括车身102，该车身在其两末端区域内各借助一个弹簧装置103支承在形式为转向架104的行走机构上。当然，本发明也可以采用车身仅支承在一个行走机构上的其它配置。
为方便理解，各图中都给出了一个(由转向架104的车轮接触平面规定的)车辆坐标系xf、yf、zf，其中，xf坐标表示轨道车辆101的纵向，yf坐标表示轨道车辆101的横向，zf坐标表示轨道车辆101的竖向。此外还定义了(由重力方向规定的)绝对坐标系x、y、z和(由车身102规定的)乘客坐标系xp、yp、zp。
转向架104包括两个形式为轮副104.1的车轮单元，其上通过弹簧装置103的一系悬挂103.1各支承一个转向架构架104.2。车身102再通过二系悬挂103.2支承在转向架构架104.2上。一系悬挂103.1和二系悬挂103.2在图1中简单地示意为螺旋弹簧。当然，一系悬挂103.1和二系悬挂103.2可以是任何一种合适的弹簧装置。二系悬挂103.2优选是早已为人熟知的空气悬挂或诸如此类的系统。
车辆101在每个转向架104区域内还各包括一个侧倾补偿装置105，该侧倾补偿装置与二系悬挂103.2运动并联布置且在转向架构架104.2和车身102之间发生作用，具体的作用方式在下文中还会进行详细说明。
特别如图1所示，侧倾补偿装置105包括已知的防倾器106，该防倾器一侧与转向架构架104.2相连，另一侧与车身102相连。图4为该防倾器106的透视图。如图1和图4所示，防倾器106包括形式为第一杠杆106.1的扭臂和形式为第二杠杆106.2的第二扭臂。两个杠杆106.1和106.2在车辆101的纵向中心面(xfzf平面)的两端分别以抗扭转方式安装在防倾器106的扭力轴106.3的末端。扭力轴106.3沿车辆横向(yf向)延伸并且可旋转地安装在轴承座106.4中，这些轴承座又与转向架构架104.2固定相连。第一杠杆106.1的自由端上铰接有第一控制杆106.5，第二杠杆106.2的自由端上则铰接有第二控制杆106.6。防倾器106通过这两个控制杆106.5、106.6与车身102铰接。
图1和图4展示的是车辆101在没有弯道的直轨道108上行驶时的空档状态。处于空档位置时，两个控制杆106.5、106.6位于图1的绘图平面(yfzf平面)内，并且在本实施例中朝车辆101的竖轴(zf轴)倾斜，使得其(铰接在车身102上的)上端朝车辆中心偏移，且其纵轴相交于车辆纵向中心面(xfzf平面)内的一点MP。控制杆106.5、106.6以已知方式定义了(空档时)与车辆纵轴101.1平行的侧倾轴，该侧倾轴穿过点MP。换言之，控制杆106.5、106.6的纵轴的交点MP构成车身102绕此侧倾轴的侧倾运动的瞬心。
防倾器106允许车辆两侧的二系悬挂103.2同时压缩，但会阻止车辆完全绕侧倾轴或瞬心MP做侧倾运动。特别如图2所示，防倾器106通过斜置的控制杆106.5、106.6还能实现将绕侧倾轴或瞬心MP的侧倾运动与沿车辆横轴(yf轴)的横向运动相结合的组合运动机制。当然，控制杆106.5、106.6所规定的运动机制决定了交点MP和侧倾轴在车身102偏离空档位置时，一般也会发生横移。
图2为车辆101在超高路段转弯时的状态。如图2所示，车辆转弯时，车身102的重心SP处(因车辆横向上起主导作用的加速度而产生的)离心力Fy使转向架构架104.2发生朝弯道外侧的侧倾运动，其原因是弯道外侧的一系悬挂103.1的压缩程度相对更大。
如图2进一步所示，车辆101转弯时，采用上述设计的防倾器106在二系悬挂103.2区域内引起补偿运动，这一补偿运动将车身102朝弯道外侧的侧倾运动(此处可对比图中用虚线轮廓102.1表示的车辆在平直轨道上行驶时的空档状态)抵消，如果未设置防倾器106，在车身102的重心SP处发生作用的离心力就会导致弯道外侧的二系悬挂103.2发生程度相对更大的压缩(效果与一系悬挂103.1发生不均匀压缩相似)，进而导致车身朝弯道外侧侧倾。
防倾器106的运动机制所定义的这种补偿运动的另一个作用是提高车辆101中乘客的倾斜舒适度，因为在由车身102规定的乘客参考系xp、yp、zp中，一部分在地固系中实际产生作用的横向加速度ay或离心力Fy给乘客的感觉仅仅是车身102底板方向上的加速度分量azp或作用力Fzp有所提高，一般情况下这并不会给乘客带来多大的不适感。让乘客在其参考系中感觉不适的横向作用的横向加速度分量ayp或离心力分量Fyp则相应减小了。
在乘客的参考系(xp、yp、zp)中发生作用的横向加速度的允许最大值ayp，max通常由车辆101的运营商规定。相关依据另见有关的国家及国际标准(例如EN 12299)。
在乘客的参考系(xp、yp、zp)中(沿yp轴方向)发生作用的横向加速度ayp由两个分量构成，即第一加速度分量ayps和第二加速度分量aypd：
ayp＝ayps+aypd.(1)
第一加速度分量ayps的当前值取决于车辆以当前行驶速度在当前轨道弯曲段上的行驶状况，第二加速度分量aypd的当前值则取决于当前事件(周期性事件或偶发事件，偶发事件居多)，例如车辆经过轨道上的障碍点如道岔或类似结构。
轨道弯曲段的曲率和车辆101的行驶速度在正常运行情况下的变化速度较慢，因此，第一加速度分量ayps是一个准静态分量。(往往因受冲击而产生的)第二加速度分量aypd则是动态分量。
根据本发明，根据当前横向加速度ayp最终可以测定车身102朝车辆竖轴(zf轴)横向偏斜的最小额定值dyN，soll，min。这里涉及的是至少需要用来确保低于最大允许横向加速度ayp，max的横向偏斜(及视情况相应的侧倾角)。可以根据车辆101的乘客具体所要求的舒适度(即，低于最大允许横向加速度ayp，max的程度)来相应规定车身102按当前行车条件沿车辆横轴(yf轴)方向横向偏斜的额定值dyW，soll。车身102的这个横向偏斜额定值dyW，soll同样由准静态分量dyWs，soll和动态分量dyWd，soll构成：
dyW，soll＝dyWs，soll+dyWd，soll.(2)
准静态分量dyWs，soll是当前准静态横向加速度ayps所引发的横向偏斜(及侧倾角)与倾斜舒适度有关的准静态额定值，而当前准静态横向加速度又与轨道弯曲段的曲率及当前行驶速度v有关。因此，这个横向偏斜额定值也就是现有技术中的已知车辆在主动调节侧倾角以控制侧倾角时所采用的额定值。
动态分量dyWd，soll则是当前动态横向加速度aypd所引发的横向偏斜(及视情况侧倾角)与振动舒适度有关的动态额定值，而当前动态横向加速度又与轨道上的周期性或偶发性干扰因素有关。
为能对车身102相对于空档位置的横向偏斜dyW(参见图1中的虚线轮廓102.2)进行主动调节，侧倾补偿装置105在本实施例中还具有执行装置107，该执行装置本身包括执行器107.1和与之相连的控制装置107.2。执行器107.1一端与转向架构架104.2铰接，另一端与车身102铰接。在本实施例中，执行器107.1实施为电液执行器。当然，在本发明的其它方案中也可以采用按照任何一种其它作用原理进行工作的执行器。举例而言，可以采用纯液压式、纯气动式、纯电力和纯机电式执行器，或者以任意方式进行组合。
在本实施例中，执行器107.1所采用的布置方式使得其施加在转向架构架104.2和车身102之间的执行力(在空档位置上)平行于车辆横向(yf向)发生作用。当然，在本发明的其它方案中，该执行器也可采用其它布置方式，只要其施加在行走机构和车身之间的执行力在车辆横向上具有分量。
根据本发明，控制装置107.2对执行器107.1的执行力和/或偏斜进行控制或调节，使得车身102的准静态第一横向偏斜dyWs与车身102的动态第二横向偏斜dyWd相叠加，由此得出车身102整体的横向偏斜dyW：
dyW＝dyWs+dyWd.(3)
本发明使用车身102的横向偏斜额定值dyW，soll来调节横向偏斜dyW，如等式(2)所定义的那样，该额定值由准静态分量dyWs，soll和动态分量dyWd，soll构成。
为提高乘客的倾斜舒适度，本实施例在从0Hz至1.0Hz的第一频率范围F1内(利用离心力Fy)对第一横向偏斜dyWs进行调节。因此，第一频率范围是车身102进行与当前轨道弯曲段的当前曲率及当前行驶速度相符的准静态侧倾运动的频率范围。
为在此基础上进一步提高乘客的振动舒适度，本实施例在从1.0Hz至6.0Hz的第二频率范围F2内对第二横向偏斜dyWd进行调节。第二频率范围是与车辆运行过程中预期会出现的干扰因素相对应的频率范围，这些干扰因素可能是周期性的，但更多的是偶发性或统计分布性干扰因素，能够被乘客感受到且会给乘客带来不适感。
当然，所述第一频率范围和/或第二频率范围也可以根据具体的指定道路网络和/或车辆运营商的具体规定(例如将车辆用于短程交通、长途运输，尤其是高速交通运输等等)做相应改动。
因此，本发明的解决方案是在车身102的第一横向偏斜dyWs上叠加车辆102的第二横向偏斜dyWd，其整体效果是乘客将获得较高的舒适度，其中，第一横向偏斜的调节就是使横向偏斜(和侧倾角)与当前轨道曲率及当前行驶速度准静态匹配，而第二横向偏斜的调节就是使横向偏斜与车身受到的当前干扰因素动态匹配。
借助控制装置107.2可以根据一系列由上级车辆控制系统和/或独立传感器(例如传感器107.3)或类似设备传输给该控制装置的输入变量对执行器107.1进行控制。例如能代表车辆101的当前行驶速度v、当前轨道段的曲率X、当前轨道段的超高角Y以及干扰强度和干扰频率(例如轨道位置干扰)的变量都属于控制时所参考的输入变量。
这些经控制装置107.2处理的变量可用任何一种适当的方式加以测定。特别是动态第二横向偏斜dyWd，soll的额定值测定，需要以足够大的带宽和足够高的精确度对至少有必要减轻其动态分量dyWd对乘客所产生的影响的干扰因素或者这些干扰因素所引起的横向加速度ay进行测定，例如直接测量，以及/或者借助为车辆101和/或轨道预先建立的合适模型进行计算。
控制装置107.2可以任何一种适当的方式加以实现，只要其满足轨道车辆运营商所规定的相应安全要求。举例而言，该控制装置可由单独一个处理器辅助系统构成。本实施例为第一频率范围F1和第二频率范围F2的调节设置了不同的控制电路或调节电路。
在本实施例中，执行器107.1在第一频率范围F1内偏离空档位置的最大偏斜度为80mm至95mm，在第二频率范围内偏离起始位置的最大偏斜度为15mm至25mm。另外，执行器107.1在第一频率范围F1内施加的最大执行力为15kN至30kN，在第一频率范围内施加的最大执行力为10kN至30kN。由此产生的配置从静态和动态角度看都非常有利。
将侧倾补偿装置105实施为主动式系统的另一优点是，转向架104对车身102的支承在车辆101的横向上的刚度比较大。特别是可以将车身102的侧倾轴或瞬心MP设置在距车身102的重心SP较近的位置上。
在本实施例中，二系悬挂103.2所采用的设计使其具有如图5所示的复位力-横向偏斜特性曲线108。其中，力特性曲线108描述二系悬挂103.2施加在车身102上的复位力Fyf的关联性，该复位力在车身102相对于转向架构架104.2横向偏斜yf时发生作用。也可以为二系悬挂103.2设定力矩特性曲线形式的复位特性曲线，该复位特性曲线描述的是二系悬挂103.2施加在车身102上的复位力矩Mxf与偏离空档位置的侧倾角偏斜度αW之间的关联。
如图5所示，二系悬挂103.2在第一横向偏斜范围Q1内具有第一横向刚度R1，在第一横向偏斜范围Q1以上的第二横向偏斜范围Q2内具有第二横向刚度R2，第二横向刚度小于第一横向刚度R1。
当然，该横向刚度可以在相应的横向偏斜范围Q1或Q2内有一定变化，视情况还可以有大幅变化，另见图5中用虚线绘示的其它实施例的力特性曲线109.1、109.2。优选应这样选择横向刚度R1和R2，使得第一横向刚度R1的水平至少部分(优选基本上完全)高于第二横向刚度R2的水平。当然也可以在第一横向偏斜范围Q1和第二横向偏斜范围Q2之间设置刚度水平发生重合或重叠的过渡范围。原则上可用任何一种适当的方式，根据实际应用相应调整与横向偏斜有关的横向刚度分布。
根据本发明的优选方案，也可以在第二横向偏斜范围Q2内设置至少接近零值(优选等于零)的第二斜率，参见图5中的轮廓109.3。在本发明的其它方案中，也可以在第二横向偏斜范围Q2内设置第二负斜率，参见图5中的轮廓109.4。其优点是可以在横向偏斜较大时，保持特别小的执行力。
在本实施例中，这样选择第一横向偏斜范围Q1的刚度水平，使得第一横向刚度R1处于100N/mm至800N/mm范围内，以及这样选择第二横向偏斜范围Q2的刚度水平，使得第二横向刚度R2处于0N/mm至300N/mm范围内。
因此在本实施例中，力特性曲线108在第一横向偏斜范围Q1内具有第一斜率S1＝dFyf/dyf(Q1)，在第二横向偏斜范围Q2内具有小于第一斜率的第二斜率S2＝dFyf/dyf(Q2)。第二斜率S2与第一斜率S1之比V＝S2/S1为0至3。当然在本发明的其它方案中，比率V也可以选用其它值。
上述两个横向偏斜范围Q1和Q2同样可以按照实际应用以任何一种适当的方式进行相应选择。在本实施例中，第一横向偏斜范围Q1为0mm至40mm，第二横向偏斜范围Q2为40mm至100mm。这样就能在以最小能耗限制车身102的最大横向偏斜方面，对侧倾补偿装置105进行特别有利的设计。
如上所述，可为车辆101定义与力特性曲线108相似的力矩特性曲线。在此情况下，复位特性曲线在第一侧倾角范围W1内具有第一斜率S1，在第一侧倾角范围W1以上的第二侧倾角范围W2内具有第二斜率，第二斜率小于第一斜率。这种情况下第二斜率S2与第一斜率S1之比V＝S2/S1也是0至3。按照具体所规定的运动机制，第一侧倾角范围W1相应地例如为0°至1.3°，第二侧倾角范围W2则为1.0°至4.0°。
换言之，本实施例中二系悬挂103.2的横向刚度呈递减分布，因此，车身102最初发生偏离空档位置的横向偏斜时会遇到较大阻力。
一开始就对横向偏斜施加大阻力的优点在于，当主动组件(例如执行器107.1或控制装置107.2)发生故障时，可以被动方式继续对车身102进行复位处理，至少可以使其复位至接近空档的状态，车辆转弯时也是如此(具体视当前横向加速度ay或离心力Fy而定)。有了这种故障情况下的被动复位措施后，就可以实现特别宽的车身102，从而提高车辆101的运力。为防止执行器107.1妨碍这种被动复位的实现，执行器107.1在本实施例中所采用的设计使其在不工作时基本不会对车身102的侧倾运动施加阻力。也即，执行器107.1不采用自锁设计。
由于特性曲线108为递减曲线，横向偏斜阻力会随着偏斜度的增大而减小(负斜率时该阻力甚至会自动减小)。这对车辆101转弯时在第二频率范围F2内对第二横向偏斜dyWd进行动态调节是有利的，因为侧倾补偿装置105只需为第二频率范围F2内的这种动态偏斜提供较小的力。
所述二系悬挂可用任何一种适当的方式获得上述递减特性曲线。举例而言，本实施例中用来将车身102支承在转向架构架104.2上的弹簧可以通过采用相应设计来主动实现这种特性。空气悬挂则可以通过对空气弹簧的波纹管支承方式进行相应设计来实现这一点。
当然在本发明的其它方案中，弹簧装置103可以具有一个或多个附加横向弹簧，参见图1中的虚线轮廓110。横向弹簧110的作用是根据实际应用对二系悬挂103.2的横向刚度进行相应调整或优化。在横向刚度得到优化的同时，这样还能大幅简化二系悬挂103.2的设计。
如本实施例所示，横向弹簧110可一端与行走机构框架相连，另一端与车身相连。作为补充或替代方案，这种横向弹簧也可一端与行走机构框架或车身相连，另一端与侧倾补偿装置105(例如与控制杆106.5、106.6中的一个)相连。该横向弹簧也可以仅在侧倾补偿装置105内部发生作用，例如在其中一个控制杆106.5、106.6和相应的杠杆106.1或106.2或者扭杆106.3之间发生作用。
横向弹簧110可用来提高所述弹簧装置沿车辆横轴方向的刚度。它可以具有与实际应用匹配的特性。横向弹簧110优选本身就具有递减的刚度特性，从而最终使二系悬挂103.2获得递减的刚度特性。
横向弹簧110可采用任何一种合理设计，并且可以按照任何一种合适的作用原理进行工作。可以使用拉伸弹簧、压缩弹簧、扭转弹簧或者这些弹簧的任意组合。此外也可以采用纯机械弹簧、机电式弹簧、气动弹簧、液压弹簧或者这些弹簧的任意组合。
在本实施例中，二系悬挂103.2所具有的横向刚度使得车身102在执行器107.1不工作时(例如由于执行器107.1或控制装置107.2发生故障)受到绕侧倾轴的复位力矩Mxf的作用，该复位力矩的大小使得当车身102处于额定负荷状态(即m＝mmax)以及当车辆停靠在最大允许超高段(即Y＝Ymax以及v＝v0＝0)时，车身102偏离空档位置的侧倾角偏斜αnot，max(mmax；v0；Ymax)小于2°。在本实施例中，车身102朝弯道外侧偏离空档位置的第一最大横向偏斜dya，not，max(mmax；v0；Ymax)限于60mm。车身102朝弯道内侧偏离空档位置的第二最大横向偏斜dyi，not，max(mmax；v0；Ymax)限于20mm。
换言之，二系悬挂103.2所采用的设计使得车辆101出于任何原因(例如车辆或车道受损)而停靠于如上述这般不利位置时，仍能遵守规定限界。
此外，复位力矩Mxf在执行器107.1不工作时的大小使得当车身102处于额定负荷状态(即m＝mmax)以及当车辆沿车辆横轴方向作用的横向加速度(ayf，max)达到允许最大值时，车身102偏离空档位置的侧倾角偏斜αnot，max(mmax；ayf，max)小于2°。在本实施例中，车身102朝弯道外侧偏离空档位置的第一最大横向偏斜dya，not，max(mmax；ayf，max)限于60mm。车身102朝弯道内侧偏离空档位置的第二最大横向偏斜dyi，not，max(mmax；ayf，max)限于20mm。
换言之，所述弹簧装置(特别是其沿车辆横向的刚度)优选如此设计，使得车辆因执行装置发生故障而以正常行驶速度应急运行时，仍能遵守规定限界。
因此，本实施例在任何情况下都能确保车辆101即使在侧倾补偿装置105的主动组件发生故障时，还能实施应急运行，舒适性(尤其是倾斜舒适度和/或振动舒适度)可能会有所降低，但能遵守规定限界。
根据本发明，本实施例中另一个能够为车身102实现较大宽度、从而提高运力的方面是：通过设置控制杆106.5、106.6及其所采用的布置方式，车身102的侧倾轴或瞬心MP(在车身102处于空档位置时)与车身102的重心SP之间沿车辆竖轴方向(zf向)的距离ΔH较小。
据此，在本实施例中，车身102的重心SP在轨道上方(确切而言是轨道上缘SOK上方)具有第一高度H1＝1970mm，侧倾轴在(如图1所示的)空档位置上沿车辆竖轴方向在轨道上缘SOK上方具有第二高度H2，该第二高度在本实施例中为3700mm至4500mm。本实施例据此得出以下比率：
VH = H 2 - H 1 H 1 , - - - ( 4 )
这是第二高度H2和第一高度H1之差与第一高度H1的比率，约为0.8至1.3。由此而实现的设计从上述横向偏斜限制和宽车身高运力的可实现性角度看特别有利。
因此，瞬心MP与重心SP之间距离ΔH较小的一个优点就是，车身102有较小横向偏斜时就会达到较大侧倾角αW。因此，车辆转弯时，就算行驶速度v较快或者轨道曲率较大，车身102也只需发生较小幅度的横向偏斜，就能实现侧倾角αW的准静态分量αWs或横向偏斜dyW的准静态分量dyWs。就算是剧烈的横向冲击，也能通过车身102用以实现侧倾角αW的动态分量αWd的较小幅度横向偏斜得到补偿。
换言之，车辆101正常运行时，只需较小幅度的横向偏斜就能实现乘客想要的乘坐舒适度。这样一来，就算是车身102较宽的车辆101，正常运行时也能遵守途经道路网络的规定限界。
瞬心MP与重心SP之间距离ΔH较小的另一个优点是，在重心SP处发生作用的离心力Fy相对于瞬心MP的力臂比较小。因此当侧倾补偿装置105的主动组件发生故障(例如执行器107.1或控制装置107.2发生故障)时，车辆转弯时离心力Fy施加在车身102上的侧倾力矩(与当前横向加速度ay有关)比较小，这样就可借助二系悬挂103.2以被动方式继续对车身102进行复位处理，至少可以使其复位至接近空档的状态。
换言之，即使发生上述故障情况或者车辆101实施应急运行，车身102的横向偏斜幅度也比较小。这样一来，就算是车身102较宽的车辆101，应急运行时也能遵守途经道路网络的规定限界。
当然在本发明车辆的某些方案中，可以设定幅度极小的横向偏斜，可以(通过对控制杆106.5、106.6进行相应设计和布置)使车身的侧倾轴或瞬心MP与车身重心SP重合或靠近车身重心SP，这样离心力Fy就不会对侧倾运动的产生起作用(或者至少不会起多大作用)。这种情况下仅通过执行器107.1对侧倾角αW进行主动调节。
因此，一般情况下可以确定，离心力Fy对侧倾角αW调节的影响视瞬心MP与重心SP之间的距离ΔH而定。距离ΔH越小，调节侧倾角αW所需的执行器107.1的执行力分量就越大(这个分量与当前行车条件相符，是达到乘客要求乘坐舒适度所必需的)。
为使车辆正常运行时在任何情况下都能遵守规定限界，本实施例针对车辆运营商所规定的限界设定了相应的在车辆101运行受限时起作用的横向偏斜限制。当然在本发明车辆的其它方案中，车辆正常运行时就可以采用这种限制。也可以不设这种限制，也即，车辆在任何行车条件或负荷情况下都不受这种限制的影响。
横向偏斜限制可以通过任何一种适当的措施得以实现，例如在车身102和转向架104(特别是转向架构架104.2)之间设置相应的止挡。也可以对侧倾补偿装置105进行相应设计。例如，可以为控制杆106.5、106.6设置相应的止挡。
在本实施例中，执行器107.1所采用的设计使得车辆转弯时，车身102沿车辆横向(yf轴)朝弯道外侧偏离空档位置的第一最大横向偏斜dya，max限于120mm。由于转向架104布置在车辆101的车身102的末端区域，因此，对朝弯道内侧的横向偏斜进行相应限制是非常重要的。因此在车辆转弯时，执行器107.1进一步将车身102沿车辆横向朝弯道内侧偏离空档位置的第二最大横向偏斜dyi，max限制在20mm。
本实施例借助控制装置107.2实现这种对朝弯道内侧的最大横向偏斜(dyi，max)和朝弯道外侧的最大横向偏斜(dya，max)的不同限制。为此，控制装置107.2(根据当前轨道弯曲段的方向)对执行器107.1进行控制，使得执行器在达到最大横向偏斜(dyi，max或dya，max)时阻止车辆进一步发生超过最大值的横向偏斜。
此外，控制装置107.2还可以根据车辆101在途经道路网络上的当前位置P相应改变朝弯道内侧的最大横向偏斜dyi，max(P)和/或朝弯道外侧的最大横向偏斜dya，max(P)。举例而言，可以允许车身102在某些路段上朝弯道内侧和/或朝弯道外侧的最大横向偏斜小于在其它路段上的最大横向偏斜。当然，这种情况下需要为控制装置107.2提供关于当前位置P的相应信息。
此外，控制装置107.2还可以限制前转向架104的侧倾角αW1与后转向架104的侧倾角αW2之差ΔαW或者限制前转向架104的横向偏斜dyW1与后转向架104的横向偏斜dyW2之差ΔdyW，其中：
ΔαW＝αW1-αW2(5)
ΔdyW＝dyW1-dyW2(6)
这种情况下也可根据当前路段和/或其它变量(例如转向架104区域内的侧倾速度)，以类似方式对该限制进行主动调节。
如图1所示，弹簧装置103还包括沿车辆横向布置在转向架构架104.2中央的应急弹簧装置103.3，它的作用是保证车辆101在二系悬挂103.2发生故障时也能实施应急运行。应急弹簧装置103.3原则上可采用任何一种适当的设计方式。在本实施例中，应急弹簧装置103.3采用能为侧倾补偿装置105的补偿作用提供支持的设计方式。为此，应急弹簧装置103.3可以包括滑动和/或滚动导引装置，该装置(使用时，即在应急运行时)能随侧倾补偿装置105一起做补偿运动。
原则上可以这样设定：只有当车辆在弯曲轨道上转弯时，侧倾补偿装置105才会对侧倾角或横向偏斜进行主动调节，也即，侧倾补偿装置105只有在遇到这样的行车条件时才会工作。在本实施例中，侧倾补偿装置105在车辆101直行时也工作，即无论在哪种行车条件下，都至少会在第二频率范围F2内对横向偏斜dyW或侧倾角αW进行调节，从而确保这些行车条件下的振动舒适性。
第二实施例
图6为本发明车辆201的另一优选实施方案。车辆201在基本设计和作用原理方面与图1至图5所示的车辆101一致，因此以下只说明不同之处。相同组件用同样的元件符号表示，同类组件的元件符号用百位上的数字加以区分。这些组件的特征、功能和优点参见上文所述的第一实施例中的实施方式，实施方式不同者除外。
与图1至图5所示实施方案的不同之处在于侧倾补偿装置205的设计。与车辆101不同，该侧倾补偿装置与用来将车身102支承在转向架104的车轮单元104.1上的弹簧装置103运动串联布置。
侧倾补偿装置205包括与弹簧装置103运动串联布置的导引装置211。导引装置211包括两个导引元件211.1，这些导引元件均一端支承在载体211.2上，另一端支承在车身102上。载体211.2沿车辆横向延伸并且通过二系悬挂103.2支承在转向架构架104.2上。
导引元件211.1在车身102进行侧倾运动时定义载体211.2相对于车身102的运动。导引元件211.1实施为普通的叠层弹簧装置，包括多层橡胶叠层弹簧211.3。
橡胶叠层弹簧211.3由多个交替布置的例如金属层和橡胶层构成。橡胶叠层弹簧211.3在垂直于其叠层的方向上采用抗压设计(也即，这个方向上受到负荷时层厚不会发生明显变化)，但在平行于其叠层的方向上采用剪力柔性设计(也即，这个方向上受到剪力作用时会发生明显变形)。橡胶叠层弹簧211.3的叠层在本实施例中朝车辆竖轴和车辆横轴倾斜，从而定义车身102的侧倾轴或瞬心MP。
在本实施例中，橡胶叠层弹簧211.3的叠层实施为普通的平面层，且其中垂线211.4的交点定义车身102的侧倾轴或瞬心MP。当然在本发明的其它方案中，也可以对这些叠层进行其它的普通弯曲或复式弯曲设计。特定而言可以采用曲率中心与瞬心MP重合的同心柱面段。
在本实施例中，中垂线211.4位于同一个垂直于车辆纵轴(xf轴)的平面内。据此，两个橡胶叠层弹簧211.3所构成的单元在车辆横向上不需要附加的辅助元件就能传递较大的力，在车辆纵轴方向上则只有在一定条件下或者说只有在剧烈剪切变形的情况下才能传递力。因此，车身102和转向架构架104.2之间通常设有能够相应传递车辆纵轴方向上的力的纵向铰接装置。
当然在本发明的其它方案中，两个橡胶叠层弹簧211.3也可以采用能够传递这种纵向力的设计。例如，可以设置双重弯曲式叠层。但也可以设置两个以上的橡胶叠层弹簧，并且这些橡胶叠层弹簧非共线布置，而是呈立体分布，其中垂线或曲率半径相交于车身的瞬心MP。
如图6进一步所示，侧倾补偿装置205仍然包括执行装置207，该执行装置包括执行器207.1和与之相连的控制装置207.2。执行器207.1以与执行器107.1相似的方式沿车辆横向在载体211.2和车身102之间发生作用。
执行器207.1在控制装置207.2的控制下对侧倾角αW或横向偏斜dyW进行调节(参见图6中的虚线轮廓102.2)。在此过程中，本实施例中的控制装置207.2的工作方式与控制装置107.2相似。根据本发明，控制装置207.2对执行器207.1的执行力和/或偏斜进行控制或调节，使得车身102的准静态第一横向偏斜dyWs与车身102的动态第二横向偏斜dyWd相叠加，由此得出车身102适用上述等式(2)的整体横向偏斜dyW。这里也同样是在第一频率范围F1内调节准静态第一横向偏斜dyWs，在第二频率范围F2内调节动态第二横向偏斜dyWd。
当侧倾补偿装置205的主动组件(例如执行器207.1或控制装置207.2)不工作时，通过橡胶叠层弹簧211.3的弹性复位力使车身被动复位。其中，橡胶叠层弹簧211.3可以采用使其具有与第一实施例中的二系悬挂103.2相似特性的设计，具体参见前述实施方案。
如图6进一步所示，转向架构架104.2和载体211.2之间(以与二系悬挂103.2运动并联的方式)设有传统防倾器206，该防倾器包括多个相互平行的控制杆206.5、206.6，作用是防止二系悬挂103.2压缩不均匀。侧倾补偿装置205的另一执行器212也在转向架构架104.2和载体211.2之间沿车辆横向发生作用，借助该执行器可对载体211.2和车身102相对于转向架构架104.2的横向偏斜施加影响。当然在本发明的其它方案中，视情况也可以不设置这个另一执行器，此外控制杆也同样可以采用倾斜布置。
执行器212同样由控制装置207.2控制，因此，控制装置207.2可以通过对执行器207.1和212进行控制来形成侧倾补偿装置205的工作性能，具体参见上述第一实施例中关于侧倾补偿装置105的说明。
需要再次指出的是，为侧倾补偿装置配置上述叠层弹簧装置以定义车身侧倾轴的设计是一种应单独受到保护的发明思路，它与上文中提到的在第一频率范围F1和第二频率范围F2内对横向偏斜(和侧倾角)进行调节的措施无关。
第三实施例
图7为本发明车辆301的另一优选实施方案。车辆301在基本设计和作用原理方面与图6所示的车辆201一致，因此以下只说明不同之处。相同组件用同样的元件符号表示，同类组件的元件符号用百位上的数字加以区分。这些组件的特征、功能和优点参见上文所述的第一实施例中的实施方式，实施方式不同者除外。
与图6所示实施方案的不同之处仅在于侧倾补偿装置305的布置方式。与车辆201不同，该侧倾补偿装置运动串联在用来将车身102支承在转向架104的车轮单元104.1上的一系悬挂103.1和二系悬挂103.2之间。
侧倾补偿装置305同样包括包含两个导引元件311.1的导引装置311，所述导引元件均一端支承在载体311.2上，另一端支承在转向架构架104.2上。车身102借助二系悬挂103.2支承在沿车辆横向延伸的载体311.2上。
导引元件311.1采用与导引元件211.1相同的设计，在车身102进行侧倾运动时定义载体311.2相对于转向架构架104.2的运动。导引元件311.1同样实施为普通的叠层弹簧装置，包括与橡胶叠层弹簧211.3相似的多层橡胶叠层弹簧311.3。
如图7进一步所示，侧倾补偿装置305仍然包括执行装置307，该执行装置包括执行器307.1和与之相连的控制装置307.2，二者的工作方式与执行器207.1和控制装置207.2相似。
如图7进一步所示，车身102和载体311.2之间(以与二系悬挂103.2运动并联的方式)设有传统防倾器306，该防倾器包括多个相互平行的控制杆306.5、306.6，作用是防止二系悬挂103.2压缩不均匀。侧倾补偿装置305的另一执行器312也在车身102和载体311.2之间沿车辆横向发生作用，借助该执行器可对车身102相对于载体311.2以及相对于转向架构架104.2的横向偏斜施加影响。
执行器312同样由控制装置307.2控制，因此，控制装置307.2可以通过对执行器307.1和312进行控制来形成侧倾补偿装置305的工作性能，具体参见上述第一和第二实施例中的相关说明。
以上仅仅是本发明应用于轨道车辆的实施例。当然，本发明也可应用于任意类型的其它车辆。

Claims (20)

1.一种车辆，特别是轨道车辆，包括：
一车身(102)，借助一弹簧装置(103)沿一车辆竖轴方向支承在一行走机构(104)上，及
一侧倾补偿装置(105；205；305)，与所述车身(102)和所述行走机构(104)耦合，其中，
所述侧倾补偿装置(105；205；305)特定而言与所述弹簧装置(103)运动并联布置，
所述侧倾补偿装置(105；205；305)在车辆转弯时对所述车身(102)绕一平行于一车辆纵轴的侧倾轴朝弯道外侧的侧倾运动施加阻力，
为提高倾斜舒适度，所述侧倾补偿装置(105；205；305)可以在所述车身(102)沿一车辆横轴方向进行一第一横向偏斜时，在一第一频率范围内将一绕所述侧倾轴的第一侧倾角外加于所述车身(102)，所述第一侧倾角与一当前轨道段的一当前曲率相对应，
其特征在于，
为提高振动舒适度，所述侧倾补偿装置(105；205；305)可在一第二频率范围内将一与所述第一横向偏斜相叠加的第二横向偏斜外加于所述车身(102)，其中，
所述第二频率范围至少部分(特定而言完全)高于所述第一频率范围。
2.如权利要求1所述的车辆，其特征在于，
所述侧倾补偿装置(105；205；305)具有一执行装置(107；207；307)，所述执行装置包括至少一个由一控制装置(107.2；207.2；307.2)控制的执行单元(107.1；207.1；307.1)，其中，
所述执行装置(107；207；307)至少主要用于大致产生所述第一侧倾角，以便在所述第一频率范围内产生所述第一侧倾角。
3.如权利要求1或2所述的车辆，其特征在于，
所述第一频率范围为0Hz至2Hz，优选为0.5Hz至1.0Hz，以及/或者
所述第二频率范围为0.5Hz至15Hz，优选为1.0Hz至6.0Hz，以及/或者
所述侧倾补偿装置(105；205；305)在车辆直行时也起作用。
4.如上述权利要求中任一项所述的车辆，其特征在于，
所述车身(102)在车辆停靠于平直轨道时处于一空档位置，以及
所述侧倾补偿装置(105；205；305)，尤其是所述侧倾补偿装置(105；205；305)的一执行装置(107；207；307)所采用的设计使得：
车辆转弯时，所述车身(102)沿一车辆横向朝弯道外侧偏离所述空档位置的一第一最大横向偏斜限于80mm至150mm，优选限于100mm至120mm，以及/或者
车辆转弯时，所述车身(102)沿一车辆横向朝弯道内侧偏离所述空档位置的一第二最大横向偏斜限于0mm至40mm，优选限于20mm。
5.如上述权利要求中任一项所述的车辆，其特征在于，
所述侧倾补偿装置(105；205；305)的一执行装置(107；207；307)实施为一用于为所述车身(102)的侧倾运动定义至少一个端部止挡的端部止挡装置，其中，
所述执行装置可按具体情况相应定义所述车身(102)的侧倾运动的至少一个端部止挡的位置。
6.如上述权利要求中任一项所述的车辆，其特征在于，所述侧倾补偿装置(105；205；305)的一执行装置(107；207；307)不工作时基本上不会对所述车身(102)的一侧倾运动施加阻力，最多只会施加较小阻力。
7.如上述权利要求中任一项所述的车辆，其特征在于，
所述车身(102)在车辆停靠于平直轨道时处于一空档位置，
所述弹簧装置(103)在所述侧倾补偿装置(105；205；305)的一执行装置(107；207；307)不工作时对所述车身(102)施加一绕所述侧倾轴的复位力矩，其中，
所述复位力矩在所述执行装置(107；207；307)不工作时的大小使得：
当所述车身(102)处于一额定负荷状态以及当所述车辆停靠在一最大允许超高段时，所述车身(102)偏离所述空档位置的一横向偏斜小于10mm至40mm，优选小于20mm，以及/或者
当所述车身(102)处于一额定负荷状态以及当所述车辆沿一车辆横轴方向作用的横向加速度达到一允许最大值时，所述车身(102)偏离所述空档位置的一横向偏斜小于40mm至80mm，优选小于60mm。
8.如权利要求7所述的车辆，其特征在于，
所述弹簧装置(103)定义一复位特性曲线，其中，
所述复位特性曲线描述所述复位力矩与所述侧倾角偏斜度之间的关联，以及
所述复位特性曲线呈递减分布，其中，
所述复位特性曲线特定而言在一第一横向偏斜范围内具有一第一斜率，在所述第一横向偏斜范围以上的一第二横向偏斜范围内具有一小于所述第一斜率的第二斜率，其中，
所述第二斜率与所述第一斜率之比特定而言为0至1，优选为0至0.5，更优选为0至0.1，以及/或者
所述第一横向偏斜范围特定而言为0mm至60mm，优选为0mm至40mm，所述第二横向偏斜范围特定而言为20mm至120mm，优选为40mm至100mm。
9.如权利要求8所述的车辆，其特征在于，
所述车身(102)在车辆停靠于平直轨道时处于一空档位置，以及
所述弹簧装置(103)沿一车辆横轴方向具有一横向刚度，其与所述车身(102)沿所述车辆横轴方向偏离所述空档位置的一横向偏斜有关，其中，
所述弹簧装置(103)特定而言在一第一横向偏斜范围内具有一第一横向刚度，在所述第一横向偏斜范围以上的一第二横向偏斜范围内具有一第二横向刚度，所述第二横向刚度小于所述第一横向刚度，其中，
所述第一横向刚度特定而言处于100N/mm至800N/mm范围内，优选处于300N/mm至500N/mm范围内，所述第二横向刚度特定而言处于0N/mm至300N/mm范围内，优选处于0N/mm至100N/mm范围内，以及/或者
所述第一横向偏斜范围特定而言为0mm至60mm，优选为0mm至40mm，所述第二横向偏斜范围特定而言为20mm至120mm，优选为40mm至100mm。
10.如上述权利要求中任一项所述的车辆，其特征在于，
所述车身(102)在车辆停靠于平直轨道时处于一额定负荷状态和一空档位置，以及
所述弹簧装置(103)沿一车辆横轴方向具有一横向刚度，其中，
所述弹簧装置(103)的横向刚度的大小使得在所述侧倾补偿装置(105；205；305)的一执行装置(107；207；307)不工作的情况下，当所述车辆转弯时其沿一车辆横轴方向作用的横向加速度达到一最大允许值时：
所述车身(102)沿一车辆横向朝弯道外侧偏离所述空档位置的一第一最大横向偏斜限于40mm至120mm，优选限于60mm至80mm，以及/或者
所述车身(102)沿一车辆横向朝弯道内侧偏离所述空档位置的一第二最大横向偏斜限于0mm至60mm，优选限于20mm至40mm。
11.如上述权利要求中任一项所述的车辆，其特征在于，
所述车身(102)在车辆停靠于平直轨道时处于一空档位置，以及
所述侧倾补偿装置(105；205；305)所采用的设计使得所述侧倾补偿装置(105；205；305)的一执行装置(107；207；307)
在所述第一频率范围内偏离所述空档位置的一最大偏斜为60mm至110mm，优选为70mm至85mm，以及/或者
在所述第二频率范围内偏离一起始位置的一最大偏斜为10mm至30mm，优选为15mm至25mm，以及/或者
在所述第一频率范围内施加的最大执行力为10kN至40kN，优选为15kN至30kN，以及/或者
在所述第二频率范围内施加的最大执行力为5kN至35kN，优选为5kN至20kN。
12.如上述权利要求中任一项所述的车辆，其特征在于，
所述车身(102)在车辆停靠于平直轨道时处于一空档位置，
所述车身(102)具有一重心，所述重心在所述空档位置上沿所述车辆竖轴方向在所述轨道上方具有一第一高度，
所述侧倾补偿装置(105；205；305)所采用的设计使得所述侧倾轴在所述空档位置上沿所述车辆竖轴方向在所述轨道上方具有一第二高度，其中，
所述第二高度和所述第一高度之差与所述第一高度的比率最大为2.2，优选最大为1.3，更优选为0.8至1.3。
13.如上述权利要求中任一项所述的车辆，其特征在于，
所述侧倾补偿装置(105)包括一防倾装置(106)，所述防倾装置与所述弹簧装置(103)运动并联布置，用于在车辆直行时对所述车身(102)绕侧倾轴的侧倾运动施加阻力，其中，
所述防倾装置(106)特定而言包括两个控制杆(106.5，106.6)，所述控制杆的一端分别铰接在所述车身(102)上，另一端分别与一安装在所述行走机构(104)上的扭力元件(106.3)的相对两端铰接，以及/或者
所述侧倾补偿装置(205；305)包括一导引装置(211；311)，
所述导引装置(211；311)与所述弹簧装置(103)运动串联布置，
所述导引装置(211；311)包括一布置在所述行走机构(104)和所述车身(102)之间的导引元件(211.1；311.1)，以及
所述导引装置(211；311)可以在所述车身(102)侧倾时定义所述导引元件(211.1；311.1)相对于所述车身(102)或所述行走机构(104)的一运动，其中，
所述导引装置(211；311)特定而言包括至少一个叠层弹簧装置(211.3；311.3)。
14.如上述权利要求中任一项所述的车辆，其特征在于，
所述行走机构(104)具有一行走机构框架(104.2)和至少一个车轮单元(104.1)，以及
所述弹簧装置(103)具有一一系悬挂(103.1)和一二系悬挂(103.2)，其中，
所述行走机构框架(104.2)通过所述一系悬挂(103.1)支承在所述车轮单元(104.1)上，所述车身(102)通过所述特定而言实施为空气悬挂的二系悬挂(103.2)支承在所述行走机构框架(104.2)上，以及
所述侧倾补偿装置(105)以与所述二系悬挂(103.2)运动并联的方式布置在所述行走机构框架(104.2)和所述车身(102)之间。
15.如权利要求14所述的车辆，其特征在于，
所述弹簧装置(103)包括一横向弹簧装置(110)，其中，
所述横向弹簧装置(110)
一端与所述行走机构框架(104.2)相连，另一端与所述车身(102)相连，以及/或者
一端与所述行走机构框架(104.2)或所述车身(102)相连，另一端与所述侧倾补偿装置(105)相连，以及
所述横向弹簧装置(110)特定而言用于提高所述弹簧装置(103)沿一车辆横轴方向的刚度，其中，所述横向弹簧装置(110)特定而言具有递减的刚度特性。
16.如上述权利要求中任一项所述的车辆，其特征在于，
所述弹簧装置(103)具有一沿车辆横向布置在所述行走机构(104)中央的应急弹簧装置(103.3)，其中，所述应急弹簧装置(103.3)特定而言采用能为所述侧倾补偿装置(105)的补偿作用提供支持的设计方式。
17.一种对一车辆(尤其是轨道车辆)的一车身(102)绕一平行于一车辆纵轴的侧倾轴的一侧倾角进行调节的方法，所述车身借助一弹簧装置沿一车辆竖轴方向支承在一行走机构(104)上，其中，
对所述侧倾角进行主动调节，其中，
车辆转弯时，对所述车身(102)绕一平行于一车辆纵轴的侧倾轴朝弯道外侧的侧倾运动施加阻力，以及
为提高倾斜舒适度，在所述车身(102)沿一车辆横轴方向进行一第一横向偏斜时，在一第一频率范围内将一绕所述侧倾轴的第一侧倾角外加于所述车身(102)，所述第一侧倾角与一当前轨道段的一当前曲率相对应，
其特征在于，
为提高振动舒适度，在一第二频率范围内将一与所述第一横向偏斜相叠加的第二横向偏斜外加于所述车身(102)，其中，
所述第二频率范围至少部分(特定而言完全)高于所述第一频率范围。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，在所述第一频率范围内至少主要以主动方式，特定而言基本上完全以主动方式产生所述第一侧倾角。
19.如权利要求17或18所述的方法，其特征在于，
所述第一频率范围为0Hz至2Hz，优选为0.5Hz至1.0Hz，以及/或者
所述第二频率范围为0.5Hz至15Hz，优选为1.0Hz至6.0Hz。
20.如权利要求17或18所述的方法，其特征在于，车辆直行时，也在所述第二频率范围内对所述第二横向偏斜进行调节以提高振动舒适度。
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