DE10137443A1

DE10137443A1 - Verfahren und Vorrichtung zur aktiven Radialsteuerung von Radpaaren oder Radsätzen von Fahrzeugen

Info

Publication number: DE10137443A1
Application number: DE10137443A
Authority: DE
Inventors: Richard Schneider; Wolfgang Auer; Guenther Himmelstein
Original assignee: Bombardier Transportation GmbH
Current assignee: Alstom Transportation Germany GmbH
Priority date: 2001-07-27
Filing date: 2001-07-27
Publication date: 2003-03-06
Also published as: PL208479B1; KR20040017835A; IL160014A; RU2283254C2; US20050103223A1; DE50214258D1; HU229434B1; NO333436B1; CN1325315C; JP4459617B2; JP2004535330A; EP1412240A2; IL160014A0; WO2003010039A2; CA2454390C; ZA200400554B; ES2341642T3; CZ2004130A3; DK1412240T3; ATE459517T1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur aktiven Radialsteuerung von Radpaaren oder Radsätzen von Fahrzeugen. Die Erfindung ist besonders geeignet für - aber nicht beschränkt auf - den Einsatz in Schienenfahrzeugen. DOLLAR A Das erfindungsgemäße Verfahren zur aktiven Radialsteuerung von Radpaaren oder Radsätzen eines Fahrwerks von Fahrzeugen besteht in einer integrierten Regelung, die fahrwerksintern, d. h. ohne mechanische Verbindung zum Wagenkasten, in mindestens zwei, nicht identischen Frequenz- bzw. Zeitbereichen erfolgt. DOLLAR A Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur aktiven Radialsteuerung von Radpaaren oder Radsätzen von Fahrzeugen beinhaltet eine Stabilitäts-Regelung von Radpaaren oder Radsätzen des Fahrzeugs mit mindestens zwei Radpaaren oder Radsätzen oder eines Fahrwerks eines Fahrzeugs mit mindestens zwei Radpaaren oder Radsätzen oder eines Fahrwerks eines Fahrzeugs mit mindestens zwei Radpaaren oder Radsätzen sowie mindestens einen Stellantrieb, der Auslenkungen und Kräfte entsprechend den Vorgaben der Stabilitäts-Regelung erzeugt und eine Drehung mindestens eines Radpaares oder Radsatzes um die Hochachse und/oder eine Translation mindestens eines Radpaares oder Radsatzes in Querrichtung bewirkt. Der Stellantrieb ist so ausgeführt, dass er quasistatische Auslenkungen und Kräfte entsprechend dem Bogenradius eines zu durchfahrenden Bogens erzeugt und Auslenkungen und Kräfte mit höherer Frequenz zur Stabilisierung des Fahrzeuglaufs sowohl beim Befahren ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur aktiven Radialsteuerung von Radpaaren oder Radsätzen von Fahrzeugen. Die Erfindung ist besonders geeignet für - aber nicht beschränkt auf - den Einsatz in Schienenfahrzeugen.
Es sind eine Reihe mechanischer Vorrichtungen zur quasistatischen Einstellung von Radpaaren oder Radsätzen in Gleisbögen bekannt, die passive oder aktive Mittel aufweisen. Bei einer aktiven Steuerung werden die Radpaare oder Radsätze nach dem Bogenradius ausgerichtet und festgehalten. Diese Vorrichtungen lenken die Radpaare oder Radsätze in festem Verhältnis zum Bogenradius und erreichen eine Egalisierung der Summen der an den Radpaaren oder Radsätzen eines Fahrwerks oder Fahrzeugs wirkenden Querkräfte höchstens für einen beschränkten Bereich. Nachteilig hierbei ist, dass die Laufstabilität nicht besser ist, als von einem konventionellen Fahrwerk mit steifer Längsführung der Radpaare oder Radsätze; bestenfalls wird keine Verschlechterung erreicht. Auch werden zur Sicherstellung der Laufstabilität mechanische Einrichtungen benötigt, beispielsweise Schlingerdämpfer oder Reibungs-Drehhemmungen. Diese können nur einen Kompromiss zwischen Bogengängigkeit und Laufstabilität darstellen und führen im allgemeinen zur Anregung von Strukturschwingungen im Wagenkasten. Häufig sind zusätzliche Dämpfungselemente in der Radsatz- bzw. Radpaarkopplung notwendig.
Die EP 0 785 123 B1 beschreibt Verfahren zur Gewinnung und Aufbereitung von Daten zur Spurführung von Fahrwerken aus Einzelradpaaren oder -sätzen. Bei einem dort offenbarten Verfahren werden die Wendebewegung des Fahrwerks als Winkel, Winkelgeschwindigkeit oder Winkelbeschleunigung kraftfrei mittels Winkelsensoren abgetastet, die gemessene Größe oder gemessenen Größen in ihre Frequenzanteile zerlegt, aus den Frequenzspektren herausragende Bewegungen nach Amplitude, Frequenz und Phasenlage als störend erkannt, der oder die so identifizierten Vektoren nach ihrer Phasendrehung von 180° und Aufbereitung einer Steuerung oder Regelung als Information zur Veränderung des Einstellwinkels des Fahrwerks zugeleitet und durch die Steuerung oder Regelung die störenden Bewegungsanteile aus der Fahrwerksbewegung ausgeblendet. Die Erfindung berücksichtigt nicht die Querkraft zwischen dem Radpaar bzw. Radsatz und dem Gleis.
Aus der EP 0 374 290 B1 ist ein Schienenfahrzeug bekannt, welches beidseitig entlang der Fahrzeuglängsachse eine vorgebbare Zahl von Einzelrädern umfaßt, die durch Lenkung schwenkbar sind. Eine spurfehlerfreie Lenkung jedes Einzelrades in Kurvenbereiche soll dadurch erreicht werden, dass eine Schienenverlauf-Messeinrichtung vorgesehen ist, die die Abweichung einer Fahrzeugachse vom Verlauf der Schienen misst und die abhängig von der gemessenen Abweichung ein Lenksignal für jedes Einzelrad unabhängig vom jeweils anderen erzeugt. Als Schienenverlauf-Messeinrichtung sind berührungslos arbeitende Systeme auf opto-elektronischer oder magnetischer bzw. elektromagnetischer Basis vorgeschlagen. Die Erfindung ist nicht auf Fahrzeuge mit Radpaaren oder Radsätzen anwendbar.
Die japanische Gruppe von Anmeldungen JP A 06199236, JP A 07081564 und JP A 07081565 beschreibt eine Beeinflussung des Wellen- oder Sinuslaufs durch hydraulische Aktuatoren zwischen Drehgestellrahmen und Radsatzlager. Sie beruht auf der Identifikation der Frequenz des Wellenlaufs in einem Spektrum der aufgenommenen translatorischen oder Gier-Vibrationen, wozu mindestens acht Sensoren pro Drehgestell sowie eine längere Datensammlung mit anschließender Frequenzanalyse erforderlich sind.
Nachteilig bei allen bisherigen Verfahren und Vorrichtungen für die Beeinflussung des Lazfverhaltens von Radpaaren bzw. Radsätzen ist, dass diese lediglich dazu dienen,

1. in Kurvenfahrten, d. h. bei Fahrten in Gleisbögen durch Lenken die entsprechende Spurführung zu bewerkstelligen, und/oder
2. die Frequenz des Wellenlaufs zu bestimmen und mit gleicher Frequenz zu beeinflussen, wozu eine Fourier-Transformation erforderlich ist, welche einen Zeitverlust gegenüber sich rasch ändernden Profilparametern im Rad/Schiene-Kontakt bedeutet,

Aufgabe der Erfindung ist es, die beschriebenen Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen und insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zur aktiven Radialsteuerung von Radpaaren oder Radsätzen von Fahrzeugen vorzuschlagen, die eine sichere, verschleißarme und komfortable Führung des Fahrzeuges, insbesondere bei Geradeausfahrt, aber auch bei Kurvenfahrt gewährleisten. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, unerwünschte, störende Bewegungen der Räder unmittelbar durch geeignete Stabilisierungsmaßnahmen auszuschalten, ohne dass hierzu eine längere Datensammlung für eine Frequenzanalyse vonnöten wöre, die den Echtzeit-Effekt zunichte macht. Störungsfrei auf Schienen abrollende Räder sind leise. Außerdem reduziert sich der Verschleiß an Rädern und Schienen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur aktiven Radialsteuerung von Radpaaren oder Radsätzen von Fahrwerken oder Fahrzeugen gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung zur aktiven Radialsteuerung von Radpaaren oder Radsätzen von Fahrwerken oder Fahrzeugen gemäß den Merkmalen des Anspruchs 16 gelöst.
Zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur aktiven Radialsteuerung von Radpaaren oder Radsätzen eines Fahrwerks oder Fahrzeugs besteht in einer integrierten Regelung, die - im Falle von Drehgestellen rein fahrwerksintern, d. h. ohne mechanische Verbindung zum Wagenkasten - in mindestens zwei, nicht identischen Frequenz- bzw. Zeitbereichen erfolgt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur aktiven Radialsteuerung von Radpaaren oder Radsätzen von Fahrwerken oder Fahrzeugen beinhaltet eine Stabilitäts-Regelung von Radpaaren oder Radsätzen des Fahrwerks oder Fahrzeugs mit mindestens zwei Radpaaren oder Radsätzen, die gegebenenfalls in einem Drehgestell angeordnet sein können, sowie mindestens einen Stellantrieb, der Auslenkungen und Kräfte entsprechend den Vorgaben der Stabilitäts-Regelung erzeugt und eine Drehung mindestens eines Radpaares oder Radsatzes um die Hochachse und/oder eine Translation mindestens eines Radpaares oder Radsatzes in Querrichtung bewirkt. Der Stellantrieb ist so ausgeführt, dass er quasistatische Auslenkungen und Kräfte entsprechend dem Bogenradius eines zu durchfahrenden Bogens erzeugt und Auslenkungen und Kräfte mit höherer Frequenz zur Stabilisierung des Fahrzeuglaufs sowohl beim Befahren eines Bogens als auch bei Geradeauslauf überlagert.
Ein Vorteil der Erfindung besteht in der Gewährleistung der genauen Einstellung von Radpaaren oder Radsätzen in Gleisbögen, so dass die Summe der im Rad/Schiene-Kontakt übertragenen Querkräfte aller Radpaare oder Radsätze eines Drehgestells unter allen Betriebsbedingungen gleich ist. Weiterhin ist die Stabilität des Laufs aller Radpaare oder Radsätze sowohl bei Fahrt im geraden Gleis als auch in Gleisbögen gewährleistet. Die Einstellung ist im Bogen auch bei hohen Zugkräften und ungünstigen Rad-Schiene- Parametern möglich.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass sie es gestattet, durch entsprechende Einstellungen und Algorithmen spezielle Querkraftverteilungen zwischen den Radpaaren bzw. Radsätzen zu erreichen und/oder spezielle Verschleißbedingungen zwischen Rad und Schiene an den Radpaaren bzw. Radsätzen des Fahrwerks bzw. Fahrzeugs zu provozieren, um das Laufverhalten z. B. speziellen Betriebs- und/oder Instandhaltungsbedingungen optimal anzupassen. So kann für das einzelne Rad eine gezielte Verteilung des Verschleisses provoziert werden, um die Entwicklung der Rad/Schiene-Profilpaarung zu kontrollieren. Zusätzlich ist eine Diagnose der korrekten Funktion aller Komponenten einer gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren erstellten Vorrichtung durch Überwachung der Laufstabilität und Radpaar- bzw. Radsatzeinstellung möglich.
Damit erlaubt die erfindungsgemäße Lösung den Verzicht auf mechanische Stabilisierungseinrichtungen zwischen Fahrwerk und Wagenkasten für das Laufverhalten wie z. B. Schlingerdämpfer oder Reibungs-Drehhemmungen. Auch auf Dämpfungselemente in der Radpaar- bzw. Radsatzkopplung, insbesondere im Koppelgestänge kann verzichtet werden. Weiterhin vorteilhaft sind die Minimierung des Anlaufwinkels und damit der Gleisbelastung und die Minimierung bzw. Optimierung des Verschleisses an Rad und Schiene. Es wird ein stabiler Fahrzeuglauf über den ganzen Geschwindigkeitsbereich, auch bei hohen Geschwindigkeiten erreicht. Durch das Fehlen eines Koppelgestänges zwischen den Radpaaren oder Radsätzen und zum Wagenkasten kann es auch, neben dem einfacheren mechanischen Aufbau, nicht zu einer Übertragung von Körperschall und Vibrationen durch diese Koppelelemente kommen.
Die Erfindung wird anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele nachfolgend näher erläutert. Es zeigen schematisch und nicht maßstäblich
Fig. 1 ein selbstlenkendes, dreiachsiges Fahrwerk bzw. Fahrzeug,
Fig. 2 ein zweiachsiges Fahrwerk bzw. Fahrzeug, und
Fig. 3 bis 7 jeweils ein Radpaar bzw. einen Radsatz eines Fahrwerks oder Fahrzeugs mit aktiver Radialsteuerung in unterschiedlichen Ausführungen.
Fig. 1 zeigt ein dreiachsiges Fahrwerk 1 für ein Schienenfahrzeug, z. B. ein dreiachsiges Drehgestell oder drei am Wagenkasten angebrachte gekoppelte Radsätze. Dieses weist einen in der Figur nicht dargestellten, aus Längs- und Querträgern bestehenden Drehgestell- oder Wagenkastenrahmen auf. An den Längsträgern sind Radlagergehäuse 2 bis 7 der drei Radpaare bzw. Radsätze 8, 9, 10 über nicht dargestellte Federelemente befestigt, und zwar Radlagergehäuse 2, 3 für das erste Radpaar bzw. den ersten Radsatz 8 (Außenradpaar bzw. - satz), Radlagergehäuse 4, 5 für das zweite Radpaar bzw. den zweiten Radsatz 9 (Mittelradpaar bzw. -satz) und Radlagergehäuse 6, 7 für das dritte Radpaar bzw. den dritten Radsatz 10 (Außenradpaar bzw. -satz). Die Radpaare bzw. Radsätze 8, 9, 10 beinhalten Räder 11. Die Radpaare bzw. Radsätze 8, 9, 10 können durch nicht dargestellte Antriebsmotoren, beispielsweise Tatzlager- oder Gestellmotoren, angetrieben werden.
Die Radlagergehäuse 2, 3, 6, 7 der beiden Außenradpaar bzw. -sätze 8, 10 sind unter anderem in Fahrtrichtung bzw. entgegengesetzt zur Fahrtrichtung des Schienenfahrzeugs beweglich, was durch Richtungspfeile x1, x2 angedeutet ist. Die Radlagergehäuse 4, 5 des Mittelradpaares bzw. -satzes 9 sind unter anderem senkrecht zur Fahrtrichtung des Schienenfahrzeugs beweglich, was durch Richtungspfeile y1, y2 angedeutet ist.
Die Radlagergehäuse 2, 3, 4, 5, 6, 7 sind jeweils nur auf derselben Fahrwerksseite über Lenkerstangen-Drehhebel-Konfigurationen gekoppelt.
Eine schräge Lenkerstange 12 ist zwischen einem Gelenk 13 eines Winkelhebels 14 und einem Gelenk 15 des Radlagergehäuses 3 angeordnet.
Der Winkelhebel 14 hat eine rahmenfeste Drehachse 16 und ist über Gelenk 17 über seinen zweiten Arm mit der Stirnseite des Radlagers 5 des Mittelradpaares bzw. -satzes 9 verbunden. Dem Radlagergehäuse 7 ist ein Drehhebel 18 mit rahmenfester zentrischer Drehachse 19 zugeordnet, wobei die zum Radlagergehäuse 7 führende Lenkerstange 20 am ersten Gelenk 21 dieses Drehhebels 18 angreift und das zweite Gelenk 22 dieses Drehhebels 18 mit einer Lenkerstange 23 verbunden ist, die andererseits zum bereits erwähnten Gelenk 13 des Winkelhebels 14 führt.
In diesem Ausführungsbeispiel sind die Kopplungen der Radlagergehäuse 3, 5, 7 der einen Fahrwerksseite symmetrisch zur Längsachse des Schienenfahrzeugs auch bei den Radlagergehäusen 2, 4, 6 der anderen Fahrwerksseite realisiert.
Eine schräge Lenkerstange 24 ist zwischen einem Gelenk 25 eines Winkelhebels 26 und Gelenk 27 des Radlagergehäuses 2 angeordnet.
Der Winkelhebel 26 hat eine rahmenfeste Drehachse 28 und ist über Gelenk 29 über seinen zweiten Arm mit der Stirnseite des Radlagers 4 des Mittelradpaares bzw. -satzes 9 verbunden. Dem Radlagergehäuse 6 ist ein Drehhebel 30 mit rahmenfester zentrischer Drehachse 31 zugeordnet, wobei die zum Radlagergehäuse 6 führende Lenkerstange 32 am ersten Gelenk 33 dieses Drehhebels 30 angreift und das zweite Gelenk 34 dieses Drehhebels 30 mit einer Lenkerstange 35 verbunden ist, die andererseits zum bereits erwähnten Gelenk 25 des Winkelhebels 26 führt.
Am Radlagergehäuse 2 ist ein linearer, in Fahrtrichtung bzw. entgegen der Fahrtrichtung (x1, x2) wirkender Stellantrieb 36 angeordnet.
Am Radlagergehäuse 4 ist ein linearer, senkrecht zur Fahrtrichtung (y1, y2) wirkender Stellantrieb 37 angeordnet. Alternativ oder in Kombination ist in Fig. 1 ein rotatorisch wirkender Stellantrieb 38 angeordnet, der eine Drehung um die Drehachse 28 bewirkt.
Am Radlagergehäuse 6 ist ein linearer, in Fahrtrichtung bzw. entgegen der Fahrtrichtung (x1, x2) wirkender Stellantrieb 39 angeordnet. Alternativ oder in Kombination ist in Fig. 1 ein linearer, in Fahrtrichtung bzw. entgegen der Fahrtrichtung (x1, x2) wirkender Stellantrieb 40 am Gelenk 33 des Drehhebels 30 sowie ein rotatorisch wirkender Stellantrieb 41 angeordnet. Der Stellantrieb 41 bewirkt eine Drehung um die Drehachse 31.
Die Stellantriebe 36 bis 41 können wahlweise einzeln oder in Kombination verwendet werden. Bei der Kombination mehrerer Stellantriebe 36 bis 41 wird dadurch eine Redundanz geschaffen, so dass bei Ausfall eines oder mehrerer Stellantriebe 36 bis 41 die anderen, nicht ausgefallenen dessen bzw. deren Funktion zumindest teilweise übernehmen.
Das erfindungsgemäße Verfahren besteht in einer integrierten Regelung, die fahrwerksintern, d. h. ohne mechanische Verbindung zum Wagenkasten, simultan bzw. integriert in mindestens zwei Frequenz- bzw. Zeitbereichen erfolgt. In einem ersten Frequenzbereich erfolgt eine quasistatische Einstellung der Radpaare bzw. Radsätze 8, 9, 10 in Gleisbögen unter Egalisierung der Summen der an den Radpaaren bzw. Radsätzen 8, 9, 10 des Fahrwerks bzw. Fahrzeugs wirkenden Querkräfte. In einem zweiten Frequenzbereich erfolgt die Regelung der Laufstabilität. Der zweite Frequenzbereich umfasst dabei Frequenzen, die zumindest teilweise höher liegen als Frequenzen aus dem ersten Frequenzbereich. Diese Regelung steuert schnell reagierende Stellantriebe 36 bis 41 an, welche die Winkellage der Radpaare bzw. Radsätze Bund 10 bzw. die Querverschiebung von Radpaar bzw. Radsatz 9 relativ zum Rahmen einstellen.
In diesem Ausführungsbeispiel wird der Relativwinkel zwischen den Außenradpaaren bzw. - sätzen 8, 10 sowie die Querverschiebung des Mittelradpaares bzw. -satzes 9 geregelt. Alternativ oder in Kombination dazu können der oder die Absolutwinkel eines, mehrerer und/oder aller Radpaare bzw. Radsätze 8, 9, 10 gegenüber einem Fahrwerksrahmen bzw. Wagenkasten geregelt werden.
Die Regelung der Stellung des betreffenden Radpaares bzw. Radsatzes 8, 9, 10 erfolgt in diesem Ausführungsbeispiel in Abhängigkeit allein vom Bogenradius. Der Bogenradius wird mit Hilfe von entsprechenen Sensoren, beispielsweise Querbeschleunigungssensoren, Drehgeschwindigkeitssensoren und/oder Quergeschwindigkeitssensoren bestimmt.
Alternativ dazu kann die Regelung der Stellung des betreffenden Radpaares bzw. Radsatzes 8, 9, 10 in Abhängigkeit von Bogenradius, Fahrgeschwindigkeit, unausgeglichener Querbeschleunigung, Reibwert und/oder Profilparametern zwischen Laufrad 11 und Schiene erfolgen. Auch die Bestimmung dieser Größen wird mit einer entsprechenden Sensorik vollzogen.
Für das Regelungsverfahren können beispielsweise der Querweg eines jeden Radpaares bzw. Radsatzes 8, 9, 10 gegenüber dem Rahmen, der Gierwinkel eines jeden Radpaares bzw. Radsatzes 8, 9, 10 gegenüber dem Rahmen, der Stellweg bzw. Stellwinkel der Stellantriebe 36 bis 41, die Stellkräfte bzw. -momente der Stellantriebe 36 bis 41, die (absolute) Fahrgeschwindigkeit, die (absolute) Geschwindigkeit bzw. (absolute) Beschleunigung des Radpaares bzw. Radsatzes in Querrichtung, die (absolute) Giergeschwindigkeit bzw. die (absolute) Gierbeschleunigung des Radpaares bzw. Radsatzes, und/oder der Bogenradius mittels entsprechender Sensoren, beispielsweise Querbeschleunigungssensoren, Drehgeschwindigkeitssensoren und/oder Quergeschwindigkeitssensoren herangezogen werden.
Eine Frequenzanalyse der Bewegungen der Radpaare bzw. Radsätze ist hierzu nicht erforderlich und unterbleibt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung beinhaltet eine Stabilitäts-Regelung von Radpaaren bzw. Radsätzen 8, 9, 10 des Schienenfahrzeugs mit mindestens zwei, in diesem Ausführungsbeispiel drei Radpaaren bzw. Radsätzen 8, 9, 10 oder eines Drehgestells eines Schienenfahrzeugs mit mindestens zwei Radpaaren bzw. Radsätzen.
Die Stellantriebe 36 bis 41 erzeugen quasistatische Auslenkungen und Kräfte entsprechend dem Bogenradius eines zu durchfahrenden Bogens und überlagern Auslenkungen und Kräfte mit höherer Frequenz zur Stabilisierung des Fahrzeuglaufs sowohl beim Befahren eines Bogens als auch bei Geradeauslauf.
Die Stellantriebe 36 bis 41 erzeugen Auslenkungen und Kräfte entsprechend den Vorgaben der Stabilitäts-Regelung.
Die Stellantriebe 36 bis 41 bewirken eine Drehung der Radpaare bzw. Radsätze 8, 10 um die Hochachse und/oder eine Translation der Radpaare bzw. Radsätze 9 in Querrichtung. Die Krafterzeugung in den Stellantrieben 36 bis 41 erfolgt elektrisch, hydraulisch, pneumatisch oder durch eine Kombination aus diesen Verfahren.
Pro Rad 11 bzw. Radlager 8, 9, 10, wie in diesem Ausführungsbeispiel, ist mindestens ein Stellantrieb 36 bis 41 angeordnet.
Ein Stellantrieb 36 bis 41 wirkt auf mindestens zwei Räder, die miteinander gekoppelt sind. Die Kopplung kann, wie in diesem Ausführungsbeispiel zwischen einem Rad 11 und einem weiteren Rad 11 desselben Radpaares bzw. Radsatzes 8, 9, 10 oder dem Rad eines anderen Radpaares bzw. Radsatzes auf derselben oder gegenüberliegenden Fahrzeugseite angeordnet sein.
Die Übertragung der Kraft oder des Momentes der Stellantriebe 36 bis 41 erfolgt direkt oder unter Zwischenschaltung eines Getriebes.
Die Wirkungsrichtung der Stellantriebe 36, 37, 39, 40 ist in diesem Ausführungsbeispiel linear. Die Stellantriebe 36, 37, 39, 40 können gleichzeitig die Funktion einer Lenkerstange übernehmen. Sie wirken zusätzlich zu einer eventuell vorhandenen passiven Kopplung und sind mit ihr über Hebel bzw. Lenker verbunden.
Alternativ dazu kann der Stellantrieb rotatorisch wirken, im Ausführungsbeispiel die Stellantriebe 38, 41. Dann kann er gleichzeitig die Funktion eines Drehlagers übernehmen. Er wirkt zusätzlich zu einer eventuell vorhandenen passiven Kopplung und ist mit ihr über Hebel bzw. Lenker oder über eine Drehkopplung verbunden.
Fig. 2 zeigt ein Fahrwerk eines Schienentriebfahrzeuges. Dargestellt sind ein Drehgestell- oder Wagenkastenrahmen 50, zwei Radpaare bzw. Radsätze 51, 52, mit Rädern 53 und Radlagergehäusen 54 bis 57. Die Radpaare bzw. Radsätze 51, 52 sind mittels einer Drehwelle 58, Drehhebel 59, 60 und Lenkerstangen 61 radial steuerbar gelagert und mittels Primärfederelementen 62 mit dem Rahmen 50 verbunden.
Stellantriebe 63 bis 65 erzeugen quasistatische Auslenkungen und Kräfte entsprechend dem Bogenradius eines zu durchfahrenden Bogens und überlagern Auslenkungen und Kräfte mit höherer Frequenz zur Stabilisierung des Fahrzeuglaufs sowohl beim Befahren eines Bogens als auch bei Geradeauslauf.
Die Stellantriebe 63 bis 65 erzeugen Auslenkungen und Kräfte entsprechend den Vorgaben der Stabilitäts-Regelung.
Die Stellantriebe 63 bis 65 bewirken eine Drehung der Radpaare bzw. Radsätze 51, 52 um die Hochachse.
Die Krafterzeugung in den Stellantrieben 63 bis 65 erfolgt elektrisch, hydraulisch, pneumatisch oder durch eine Kombination aus diesen Verfahren.
Die Stellantriebe 63 bis 65 wirken in diesem Ausführungsbeispiel auf beide Radpaare bzw. Radsätze 51, 52, da diese über die Drehwelle 58, die Drehhebel 59, 60 und die Lenkerstangen 61 gekoppelt sind. Der lineare Stellantrieb 63 ist an einem Gelenkpunkt 66 des Drehhebels 59 angeordnet. Der lineare Stellantrieb 64 ist am Radlagergehäuse 56 des Radpaares bzw. Radsatzes 52 angeordnet. Der rotatorische Stellantrieb 65 ist am Drehhebel 59 angeordnet und bewirkt eine Drehung um eine horizontal verlaufende Drehachse 67.
Es können einer, mehrere oder alle der Stellantriebe 63 bis 65 vorgesehen sein. Kommen mehrere der Stellantriebe 63 bis 65 zum Einsatz, so ist es denkbar, dass bestimmte Stellantriebe für die Einstellung der Radpaare bzw. Radsätze gemäß dem Gleisbogen (d. h. i. a. im niedrigeren Frequenzbereich) und andere für die Stabilitätsregelung (d. h. i. a. im höheren Frequenzbereich) eingesetzt werden.
Bei der Kombination mehrerer Stellantriebe 63 bis 65 wird dadurch eine Redundanz geschaffen, so dass bei Ausfall eines oder mehrerer Stellantriebe 63 bis 65 die anderen, nicht ausgefallenen dessen bzw. deren Funktion zumindest teilweise übernehmen.
Die Drehwelle 58 kann entfallen; dafür wird in diesem Fall auf jeder Seite mindestens ein Stellantrieb der Art 63 bis 65 angeordnet.
In einem ersten Frequenzbereich erfolgt eine quasistatische Einstellung der Radpaare bzw. Radsätze 51, 52 in Gleisbögen unter Egalisierung der Summen der an den Radpaaren bzw. Radsätzen 51, 52 des Fahrwerks bzw. Fahrzeugs wirkenden Querkräfte. In einem zweiten Frequenzbereich erfolgt die Regelung der Laufstabilität. Der zweite Frequenzbereich umfasst dabei Frequenzen, die zumindest teilweise höher liegen als Frequenzen aus dem ersten Frequenzbereich. Diese Regelung steuert die schnell reagierenden Stellantriebe 63 bis 65 an, welche die Winkellage der Radpaare bzw. Radsätze 51, 52 relativ zum Rahmen einstellen. Auch in diesem Ausführungsbeispiel wird der Relativwinkel zwischen den Radpaaren bzw. Radsätzen 51, 52 geregelt. Die Regelung der Stellung des betreffenden Radpaares bzw. Radsatzes 51, 52 erfolgt auch in diesem Ausführungsbeispiel in Abhängigkeit allein vom Bogenradius.
In den Fig. 3 und 4 sind jeweils einzelne Radpaare bzw. Radsätze von Fahrwerken bzw. Fahrzeugen mit aktiven Radialsteuerungen und unterschiedlichen Anordnungsmöglichkeiten von einem oder mehreren Stellantrieben 68 bis 76 dargestellt.
In Fig. 3 ist der lineare Stellantrieb 68 an einem Radlagergehäuse 77 angeordnet. Der lineare Stellantrieb 69 ist an einem Gelenk 78 am Ende eines Lenkbalkens 79 angeordnet. Das Gelenk 78 ist gleichzeitig über eine Lenkerstange 80 mit dem Radlagergehäuse 77 verbunden. Die Lenkerstange 80 ist um eine vertikale Drehachse 81, die die Mittellinie des Fahrzeugs schneidet, drehbar gelagert. An einem ebenfalls am Lenkbalken 79, außerhalb der Drehachse 81 angeordneten Gelenk 82 ist der lineare Stellantrieb 70 angeordnet. Der rotatorische Stellantrieb 71 ist am Drehpunkt 81 des Lenkbalkens 79 angeordnet. Der rotatorische Stellantrieb 72 ist über einen Drehhebel 83 und eine Lenkerstange 84 mit einem Gelenk 85 des Lenkbalkens 79 außerhalb der Drehachse 81 verbunden. Der Lenkbalken 79 ist über ein an seinem Ende angeordneten Gelenk 86 und eine daran befestigte Lenkerstange 87 mit einem Radlagergehäuse 88 verbunden.
Der lineare, in Fahrtrichtung wirkende Stellantrieb 73 (Fig. 4) wirkt über ein Gelenk 89 mit einem Schenkel eines Winkelhebels 90 und eine Lenkerstange 91 auf ein Radlagergehäuse 92. Der Winkelhebel 90 ist um eine horizontale Drehachse 93 gelagert, an der ein rotatorischer Stellantrieb 76 angreift. Die linearen Stellantriebe 74, 75 wirken parallel an einem Lenkbalken 94 über ein Gelenk 95 am Lenkbalken 94 bzw. ein Gelenk 96 eines Schenkels eines Winkelhebels 97. Der Winkelhebel 97 ist um eine vertikale Drehachse 98 gelagert und ist am anderen Ende über ein Gelenk, eine Lenkerstange 99 mit einem Radlagergehäuse 100 verbunden. Auch diese Stellantriebe 73 bis 76 sind einzeln oder in Kombination zur Redundanzerhöhung anwendbar.
In den Fig. 5 bis 7 sind einzelne Radpaare bzw. Radsätze eines Fahrwerks bzw. Fahrzeugs mit jeweils einem Stellantrieb 101, 102 dargestellt.
In Fig. 5 übernimmt der rotatorische Stellantrieb 101 gleichzeitig die Funktion der Kopplung der beiden Räder 103 über entsprechende Gelenke 104, an beiden Enden um 90° abgewinkelte und um ihre Längsachse drehbar gelagerte Drehwellen 105, Lenkerstangen 106 und Radlagergehäuse 107. Somit stellt der Stellantrieb 101 gleichzeitig beide Räder 103 entsprechend der Stabilitäts-Regelung und bewirkt eine Drehung der Räder 103 um die Hochachse.
In Fig. 6 sind zwei Räder 108 mit ihren zugehörigen Radlagergehäusen 109 über Lenkerstangen 110, Gelenke 111 und eine an beiden Enden in entgegengesetzter Richtung um 90° abgewinkelte und um ihre Längsachse drehbar gelagerte Drehwelle 112 gekoppelt. Zwischen den abgewinkelten Enden der Drehwelle 112 ist über ein Gelenk 113 und eine Lenkerstange 114 der rotatorische Stellantrieb 102 angeordnet, der die Drehwelle 112 um ihre Längsachse rotieren und damit die Räder 108 um die Hochachse drehen läßt.
Sowohl in der Abwandlung nach Fig. 5, als auch in der Abwandlung nach Fig. 6 können die Stellantriebe 101, 102 etwa mittig, zwischen den Rädern 103, 108 angeordnet werden. Der optimale Einbauort richtet sich nach dem Platzbedarf und der Gewichtsverteilung der einzelnen Komponenten.
Fig. 7 zeigt eine weitere Abwandlung eines einzelnen Radpaares bzw. Radsatzes mit gekoppelten Rädern 115. Die Kopplung erfolgt über Radlagergehäuse 116, daran angeordnete Lenkerstangen 117, 118, 119, Gelenke 120 und eine Drehwelle 121. Die Drehwelle 121 ist mittels am Rahmen befestigter Lager 122 drehbar um ihre Längsachse gelagert. An den Enden der Drehwelle 121 sind zur Verbindung mit den Lenkerstangen 118, 119 über Gelenke 120 Hebel 123 angeordnet. Die beiden Lenkerstangen 117, 119 sind mit einem rotatorischen Stellantrieb 124 verbunden, der eine Drehung der Räder 115 um die Hochachse bewirkt. Der rotatorische Stellantrieb 124 kann somit seitlich des Rahmens angeordnet werden.

Claims

1. Verfahren zur aktiven Radialsteuerung der Räder (11, 53, 103, 108, 115) von Radpaaren bzw. Radsätzen (8, 9, 10, 51, 52) eines Fahrwerks von Fahrzeugen, insbesondere Schienenfahrzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass eine integrierte Regelung in mindestens zwei, nicht identischen Frequenz- bzw. Zeitbereichen erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die integrierte Regelung in einem Fahrzeug mit Drehgestellen fahrwerksintern wirkt, d. h. ohne mechanische Verbindung zum Wagenkasten.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Frequenzbereich eine quasistatische Einstellung der Räder (11, 53, 103, 108, 115) von Radpaaren bzw. Radsätzen (8, 9, 10, 51, 52) in Bögen unter Egalisierung der Summen der an den Rädern (11, 53, 103, 108, 115) oder Radpaaren bzw. Radsätzen (8, 9, 10, 51, 52) des Fahrwerks oder Fahrzeugs wirkenden Querkräfte erfolgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Frequenzbereich eine quasistatische Einstellung der Räder (11, 53, 103, 108, 115) von Radpaaren bzw. Radsätzen (8, 9, 10, 51, 52) in Bögen unter Einstellungen derartiger Verteilungen der an den Rädern (11, 53, 103, 108, 115) oder Radpaaren bzw. Radsätzen (8, 9, 10, 51, 52) des Fahrwerks oder Fahrzeugs wirkenden Querkräfte erfolgt, dass das Fahrverhalten speziellen Betriebs- und Instandhaltungsbedingungen optimal angepasst wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in einem zweiten Frequenzbereich die Regelung der Laufstabilität erfolgt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Frequenzbereich Frequenzen umfasst, die zumindest teilweise höher liegen als Frequenzen aus dem ersten Frequenzbereich.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Frequenzbereich oberhalb des ersten Frequenzbereichs liegt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Frequenzbereich sich an den ersten Frequenzbereich anschließt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Frequenzbereich zwischen 0 Hz und 3 Hz liegt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Frequenzbereich zwischen 0 Hz und 10 Hz, vorzugsweise zwischen 3 Hz und 10 Hz liegt.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung schnell reagierende Stellantriebe (36 bis 41, 63 bis 65, 68 bis 76, 101, 102, 124) ansteuert, welche die Winkellage von Radpaaren bzw. Radsätzen (8, 10, 51, 52) relativ zum Fahrwerksrahmen bzw. Wagenkasten einstellen.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Relativwinkel zwischen Außenradpaaren bzw. -sätzen (8, 10, 51, 52) eines Fahrwerks oder Fahrzeugs mit mindestens zwei Radpaaren bzw. Radsätzen (8, 9, 10, 51, 52) geregelt wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Absolutwinkel eines, mehrerer und/oder aller Radpaare bzw. Radsätze (8, 9, 10, 51, 52) gegenüber einem Fahrwerksrahmen bzw. Wagenkasten geregelt werden.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung der Stellung des betreffenden Radpaares bzw. Radsatzes (8, 9, 10, 51, 52) in Abhängigkeit von Bogenradius, Fahrgeschwindigkeit, unausgeglichener Querbeschleunigung, Reibwert und/oder Profilparametern zwischen Rad (11, 53, 103, 108, 115) und Schiene oder Kombinationen davon erfolgt.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass für das Regelungsverfahren der Querweg mindestens eines, vorzugsweise eines jeden Radpaares bzw. Radsatzes (8, 9, 10, 51, 52) gegenüber dem Drehgestellrahmen bzw. dem Wagenkasten, der Gierwinkel mindestens eines, vorzugsweise eines jeden Radpaares bzw. Radsatzes (8, 9, 10, 51, 52) gegenüber dem Drehgestellrahmen bzw. dem Wagenkasten, der Stellweg bzw. Stellwinkel mindestens eines, vorzugsweise aller Stellantriebe (36 bis 41, 63 bis 65, 68 bis 76, 101, 102, 124), die Stellkräfte mindestens eines, vorzugsweise aller Stellantriebe (36 bis 41, 63 bis 65, 68 bis 76, 101, 102, 124), die Fahrgeschwindigkeit,, die (absolute) Geschwindigkeit bzw. (absolute) Beschleunigung des Radpaares bzw. Radsatzes (8, 9, 10, 51, 52) in Querrichtung, die (absolute) Giergeschwindigkeit bzw. die (absolute) Gierbeschleunigung des Radpaares bzw. Radsatzes (8, 9, 10, 51, 52), und/oder der Bogenradius herangezogen werden.

16. Vorrichtung zur aktiven Radialsteuerung von Radpaaren oder Radsätzen von Fahrzeugen, insbesondere zur Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 15 mit
einer Stabilitäts-Regelung von Radpaaren bzw. Radsätzen (8, 9, 10, 51, 52) des Fahrzeugs, insbesondere Schienenfahrzeugs mit mindestens zwei Radpaaren bzw. Radsätzen (8, 9, 10, 51, 52) oder eines Drehgestells eines Fahrzeugs, insbesondere Schienenfahrzeugs mit mindestens zwei Radpaaren bzw. Radsätzen,
mindestens einem Stellantrieb (36 bis 41, 63 bis 65, 68 bis 76, 101, 102, 124), der Auslenkungen und Kräfte entsprechend den Vorgaben der Stabilitäts-Regelung erzeugt und eine Drehung mindestens eines Radpaares bzw. Radsatzes (8, 10, 51, 52) um die Hochachse und/oder eine Translation mindestens eines Radpaares bzw. Radsatzes (9) in Querrichtung bewirkt,
dadurch gekennzeichnet, dass der Stellantrieb (36 bis 41, 63 bis 65, 68 bis 76, 101, 102, 124) so ausgeführt ist, dass er quasistatische Auslenkungen und Kräfte entsprechend dem Bogenradius eines zu durchfahrenden Bogens erzeugt und Auslenkungen und Kräfte mit höherer Frequenz zur Stabilisierung des Fahrzeuglaufs sowohl beim Befahren eines Bogens als auch bei Geradeauslauf überlagert.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellantriebe (36 bis 41, 63 bis 65, 68 bis 76, 101, 102, 124) elektrische, hydraulische und/oder pneumatische Stellantriebe (36 bis 41, 63 bis 65, 68 bis 76, 101, 102, 124) sind.

18. Vorrichtung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass pro Rad (11, 53, 103, 108, 115) und/oder pro Radlager (8, 9, 10, 51, 52) und/oder pro gekoppelten Rädern (11, 53, 103, 108, 115) mindestens ein Stellantrieb (36 bis 41, 63 bis 65, 68 bis 76, 101, 102, 124) angeordnet ist.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Räder (11, 103, 108, 115) miteinander gekoppelt sind.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei gekoppelte Räder (11, 53, 103, 108, 115) zu einem Radpaar bzw. Radsatz (8, 9, 10, 51, 52) gehören und/oder zwei gekoppelte Räder zu unterschiedlichen Radpaaren bzw. Radsätzen gehören, wobei die gekoppelten Räder auf derselben oder gegenüberliegenden Fahrzeugseite angeordnet sind.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen mindestens einem der Stellantriebe (36 bis 41, 63 bis 65, 68 bis 76, 101, 102, 124) und dem Rad (11, 53, 103, 108, 115) bzw. Radlager (8, 9, 10, 51, 52) ein Getriebe angeordnet ist.

22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Wirkungsrichtung mindestens eines der Stellantriebe (36, 37, 39, 40, 63, 64, 68 bis 70) linear ist.

23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Wirkungsrichtung mindestens eines der Stellantriebe (38, 41, 65, 71, 72, 101, 102, 124) rotatorisch ist.

24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Stellantrieb (71, 101, 102) zwischen den Rädern (11, 53, 103, 108, 115) unterschiedlicher Fahrzeugseiten angeordnet ist.

25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Stellantrieb (36 bis 41, 63 bis 65, 68, 69, 72, 75, 76, 124) auf einer Fahrzeugseite, insbesondere zwischen Rädern (11, 53, 103, 108, 115) einer Fahrzeugseite angeordnet ist.

26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Stellantriebe (36 bis 41) kombiniert werden, so dass dadurch eine Redundanz geschaffen ist.