DE102004014904B4

DE102004014904B4 - Schienenfahrzeug

Info

Publication number: DE102004014904B4
Application number: DE200410014904
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Schlautmann Phillip
Original assignee: RAILCAB DEV GmbH; Railcab Development GmbH
Current assignee: RAILCAB DEVELOPMENT GMBH, DE
Priority date: 2004-03-18
Filing date: 2004-03-18
Publication date: 2013-06-13
Anticipated expiration: 2024-03-19
Also published as: DE102004014904A1

Abstract

Schienenfahrzeug mit einem Wagenkasten und einem Fahrwerk, das über mindestens eine Achse mit an den Enden derselben angeordneten Rädern verfügt, und mit einer den Wagenkasten abstützenden Abstützeinrichtung enthaltend ein Federelement und eine Mehrzahl von Aktoren, die auf einer dem Federelement zugewandten Seite über ein gemeinsames Verbindungsteil mit dem Federelement gekoppelt sind und auf einer dem Federelement abgewandten Seite an einem Rahmenteil des Wagenkastens angelenkt sind, wobei die Abstützeinrichtung eine Mehrzahl von jeweils einer Achsenseite zugeordneten Feder-Aktor-Module aufweist, die unterhalb eines Bodens des Wagenkastens angeordnet sind, und dass das Verbindungsteil als ein mit drei Freiheitsgraden gelagertes Gelenkteil ausgebildet ist, an dem an einer Seite drei Aktoren angelenkt sind und an dem an einer anderen Seite sich das Federelement anschließt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Schienenfahrzeug mit einem Wagenkasten und einem Fahrwerknach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Die Erfindung betrifft ferner eine Abstützeinrichtung für Schienenfahrzeuge nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 9.
Aus der DE 198 20 865 A1 ist ein Schienenfahrzeug mit einem Wagenkasten und einem Fahrwerk bekannt, das zur Verbesserung des Fahrkomforts auf passive Dämpferelemente vollständig verzichtet. Eine erforderliche Dämpfung und Führung des Wagenkastens wird mittels aktiver Stellelemente einer Abstützeinrichtung verwirklicht, wobei als Stellelemente Aktoren an einem Fußpunkt eines Federelementes angreifen. Die Aktoren erhalten von einer geeigneten Regelung die Ansteuersignale, so dass der Wagenkasten von dem Fahrwerk weitgehend dynamisch entkoppelt ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Schienenfahrzeug und eine Abstützeinrichtung zu schaffen, die unter Einsatz von aktiven Stellelementen einen relativ geringen Bauraumaufwand erfordert.
Zur Lösung dieser Aufgabe weist das erfindungsgemäße Schienenfahrzeug die Merkmale des Patentanspruchs 1 auf.
Der besondere Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Abstützeinrichtung vollständig unterhalb eines Bodens des Wagenkastens angeordnet ist, so dass der Innenraum des Wagenkastens für andere Zwecke genutzt werden kann. Darüber hinaus ist die Abstützeinrichtung in Folge der relativ flachen Bauweise (Niederflurbauweise) relativ Platz sparend ausgebildet. Die Abstützeinrichtung ist gebildet durch eine Mehrzahl von Feder-Aktor-Modulen, so dass für jede Achsenseite die gleichen Bauteile bzw. die die gleichen Bauteile in spiegelverkehrter Anordnung montagetechnisch einfach eingesetzt werden können. Vorteilhaft ermöglicht diese Modularisierung der aktiven Federung eine Vereinfachung der regelungstechnischen Ansteuerung der Aktoren. Jedem Feder-Aktor-Modul kann eine gesonderte Regeleinheit zugeordnet werden, wobei sich die Regelungseinheiten in ihrem Aufbau nicht unterscheiden. Durch die kompakte Bauweise der Feder-Aktor-Module kann darüber hinaus das Gewicht der Abstützeinrichtung verringert werden. Vorteilhaft stellt die Erfindung ein redundantes Abstützsystem zur Verfügung, weil die einer Achse zugeordneten Feder-Aktor-Module nicht miteinander gekoppelt sind. Bei Ausfall des einen Moduls kann durch Weiterbetrieb des anderen Modul die Dämpfung des Wagenkastens aufrecht erhalten werden.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein Gelenkteil (Verbindungsteil), das zwischen einem Federelement und den Aktoren angeordnet ist, als ein Längslenker ausgebildet, der über zwei Gelenklenker gelenkig mit dem Rahmenteil des Wagenkastens verbunden ist. Die Gelenklenker sind derart ausgebildet, dass der Längslenker mit drei Freiheitsgraden aufgehängt gelagert ist.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung sind ein Gelenklenker über ein Kugelgelenk und ein anderer Gelenklenker über ein Schwenkgelenk mit dem Rahmenteil des Wagenkastens verbunden, so dass die Einstellung der drei Freiheitsgrade einfach realisiert ist.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung sind die Aktoren an beiden Enden derselben über ein Kugelgelenk zum einen mit dem Längslenker und zum anderen mit dem Rahmenteil des Wagenkastens gelenkig verbunden. Auf diese Weise ist eine aktive Führung und Dämpfung des Wagenkastens in drei Bewegungsrichtungen gewährleistet.
Zur Lösung dieser Aufgabe weist eine erfindungsgemäße Abstützeinrichtung die Merkmale des Patentanspruchs 9 auf.
Vorteilhaft lässt sich die erfindungsgemäße Abstützeinrichtung für die Abstützung jeglicher Körper, wie beispielsweise Straßenbahnen etc. einsetzen, bei denen eine Platz sparende Sekundärfeder im Wesentlichen unterhalb des Körpers angeordnet ist.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine perspektivische Darstellung eines aufgeschnittenen Schienenfahrzeugs mit einem Wagenkasten und mit unterhalb des Wagenkastens angeordneten Fahrwerken,
2 eine perspektivische Darstellung eines einem Achsenende zugeordneten Feder-Aktor-Moduls,
3a eine Seitenansicht eines Feder-Aktor-Moduls, wenn sich der Wagenkasten in einer oberen Endposition befindet,
3b eine Seitenansicht eines Feder-Aktor-Moduls, wenn sich der Wagenkasten in einer unteren Endposition befindet,
4a eine Seitenansicht eines Feder-Aktor-Moduls, wenn sich der Wagenkasten in einer vordern Endposition in Längsrichtung desselben befindet,
4b eine Seitenansicht eines Feder-Aktor-Moduls, wenn sich der Wagenkasten in einer hinteren Endposition in Längsrichtung desselben befindet,
5a eine Draufsicht auf die einer Radachse zugeordneten Feder-Aktor-Module, wenn sich der Wagenkasten in Querrichtung in einer ersten Endposition befindet,
5b eine Draufsicht auf die einer Radachse zugeordneten Feder-Aktor-Module, wenn sich der Wagenkasten in Querrichtung in einer gegenüberliegenden Endposition befindet,
6a eine Draufsicht auf die einer Radachse zugeordneten Feder-Aktor-Module, bei der der Wagenkasten eine Lenkbewegung um eine Höhenachse z ausübt,
6b eine Draufsicht auf die einer Radachse zugeordneten Feder-Aktor-Module, bei der der Wagenkasten eine Lenkbewegung um eine Höhenachse z ausübt,
7a eine perspektivische Darstellung einer einer Radachse zugeordneten Abstützeinrichtung mit zwei Feder-Aktor-Modulen, die jeweils einem Radachsenende zugeordnet sind, bei dem auf den Wagenkasten ein Wankmoment M_x wirkt und
7b eine perspektivische Darstellung einer einer Radachse zugeordneten Abstützeinrichtung mit zwei Feder-Aktor-Modulen, die jeweils einem Radachsenende zugeordnet sind, bei dem auf den Wagenkasten ein Wankmoment M_x wirkt.
Eine Abstützeinrichtung 1 zur aktiven Sekundärfederung eine Schienenfahrzeugs 2 besteht aus einer Mehrzahl von Feder-Aktor-Modulen 3, die zusammen mit Fahrwerken 4, 4' unterhalb eines Bodens 5 eines Wagenkastens 6 des Schienenfahrzeugs 2 angeordnet sind.
Das Schienenfahrzeug 2 wird mittels eines Linearmotors angetrieben, wobei magnetische Kraftwirkungen zwischen einem parallel zu nicht dargestellten bekannten Schienen verlaufenden Stator 7 und einem nicht dargestellten in dem Schienenfahrzeug 2 integrierten Läufer beschleunigt wird. Das Schienenfahrzeug 2 wird durch eine nicht dargestellte Antriebs- und/oder Bremseinheit in Längsrichtung (x-Richtung) unter Abrollen von Rädern 11 auf den nicht dargestellten Schienen bewegt.
Der Wagenkasten 6 des Schienenfahrzeugs 2 ist als eine Space-Frame-Tragstruktur ausgebildet, an der sich im Bereich des Fahrwerks 4, 4' ein Rahmenteil 8 anschließt.
Die Fahrwerke 4, 4' umfassen jeweils einen Fahrwerksrahmen 9 sowie eine Achse 10 und an den Enden derselben angeordnete Räder 11, die über eine nicht dargestellte Primärfederstufe am Fahrwerkrahmen 9 abgefedert sind. Die Fahrwerke 4, 4' können als echte Drehgestelle oder aber auch als einfache Laufwerke ausgebildet sein. Die Fahrwerke 4, 4' können auch in Jacobs-Bauart ausgeführt sein.
An dem Fahrwerk 4, 4' sind in Verlängerung zu der Radachse 10 jeweils als Federelemente 12 Luftfedern angeordnet. Alternativ können die Luftfedern 12 auch als Stahlfeder ausgebildet sein. Wesentlich ist, dass das Federelement 12 eine Steifigkeit in den drei translatorischen Raumrichtungen x, y, z hat. Die Luftfedern 12 sitzen auf dem Fahrwerksrahmen 9 und unterstützen den Wagenkasten 6 im Bereich seiner Ecken. Die Luftfedern 12 sind in an sich bekannter Bauweise mit Balg und Felge ausgeführt und sind je Fahrwerk 4, 4' symmetrisch zu einer Fahrzeugmittellängsachse X angeordnet. Das vorlaufende Fahrwerk 4 und das nachlaufende Fahrwerk 4' sind symmetrisch zu einer Fahrzeugmittelquerachse Y angeordnet.
Das jeweils einer Stirnseite des Fahrwerkrahmens 9 zugeordnete Feder-Aktor-Modul 3 besteht im Wesentlichen aus einem Längslenker 13 und drei über Kugelgelenke mit denselben verbundenen Aktoren 14. Der Längslenker 13 weist einen winkelförmig abragenden Fortsatz 15 auf, an dessen freien Ende der untere Aktor 14' angelenkt ist. Die beiden parallel angeordneten oberen Aktoren 14 sind an der Basis des Fortsatzes 15 in Querrichtung Y versetzt zueinander angelenkt. Auf einer dem Längslenker 13 abgewandten Seite sind die Aktoren 14, 14' über Kugelgelenke mit dem Rahmenteil 8 des Wagenkastens 6 gelenkig verbunden. Das Rahmenteil 8 erstreckt sich mit einem Rahmenabschnitt 16 in einem den Aktoren 14, 14' zugewandten Seitenbereich des Längslenkers 13 und ist mit demselben über zwei Gelenklenker 17, 17' gelenkig verbunden. Der eine Gelenklenker 17 ist über ein Kugelgelenk 18 mit dem Rahmenabschnitt 16 verbunden. Der andere Gelenklenker 17' ist über ein Schwenkgelenk 19 mit dem Rahmenabschnitt 16 verbunden. Die Gelenklenker 17, 17' beschränken somit die Freiheitsgrade des Längslenkers 13 auf drei, so dass der Fußpunkt des Federelementes 12 in den translatorischen Freiheitsgraden aktiviert werden kann. Die Aktoren 17, 17' sind vorzugsweise als Hydraulikzylinder oder elektrische Linearantriebe oder als Pneumatikaktoren oder als elektromechanische Linearantriebe ausgebildet.
Der Längslenker 13 weist auf einer den Aktoren 14, 14' abgewandten Seite eine Angriffsfläche 20 auf, mit der er auf einer Auflagefläche des Federelementes 12 aufliegt.
Zur Führung und Dämpfung des Wagenkastens 6 kann der Längslenker 13 unterschiedliche Positionen einnehmen. Beispielsweise kann der Längslenker 13 gemäß 3a eine obere Endposition (in Z-Richtung) einnehmen oder eine untere Position gemäß 3b. Das Schienenfahrzeug 2 kann beispielsweise eine Nickbewegung um eine Querachse ausführen, wenn ein Längslenker 13 des vorderen Fahrwerks 4 in entgegengesetzter Richtung zu dem Längslenker 13 des hinteren Fahrwerks 4' bewegt wird.
Zur Einstellung dieser Positionen sind die Aktoren 14, 14' durch eine geeignete Regeleinheit angesteuert, wobei jedem Feder-Aktor-Modul 3 eine gleichartige Regeleinheit zugeordnet ist. In Abhängigkeit von den Rahmenbedingungen des Schienenfahrzeugs 2 während der Fahrt kann der Rahmenabschnitt 16 des Rahmenteils 8 in Längsrichtung (X-Richtung) nach vorne oder nach hinten relativ zum Fahrwerk 4, 4' bewegt werden, wobei der Längslenker 13 die gleiche Höhenposition einnimmt. Dies wird – wie aus 4a und 4b zu ersehen ist – durch die gelenkige Anbindung des Rahmenabschnitts 16 mittels der Gelenklenker 17, 17' an den Längslenker 13 bewirkt.
Gemäß 5a und 5b ist eine Relativbewegung des Wagenkastens 6 zu dem Fahrwerk 4, 4' in Querrichtung (Y-Richtung) in die eine oder andere Endposition gewährleistet. Hierbei wird der Längslenker 13 durch Beaufschlagung der Aktoren 14, 14' mit entsprechenden Steuersignalen unter Auflage auf dem Federelement 12 in Querrichtung verschwenkt.
Durch Ansteuerung der Aktoren 14, 14' kann das Rahmenteil 8 eine Lenkbewegung unter Bildung eines Drehmomentes M_z um eine Hochachse Z ausführen, wobei die Endpositionen in der 6a bzw. 6b dargestellt sind.
Darüber hinaus wird durch Ansteuerung der Aktoren 14, 14' gemäß 7a und 7b ein Wankmoment M_x erzeugt, so dass das Rahmenteil 8 um eine Längsachse X in Relation zu dem Fahrwerk 4, 4' bewegt werden kann.
Hierdurch wird deutlich, dass der Wagenkasten 6 durch die Feder-Aktor-Module 3 quasi einen Ausgleich in alle drei translatorischen Bewegungsrichtungen erfahren. Wie aus 7a und 7b zu ersehen ist, können die Feder-Aktor-Module 3 auch zur Erzeugung einer Neigung des Wagenkastens 6 insbesondere bei Kurvenfahrten eingesetzt werden. Vorteilhaft kann durch die modulare Bauweise der Feder-Aktor-Module der Austausch, die Wartung und die Instandsetzung desselben vereinfacht werden. Jede Achse 10 sind zwei Feder-Aktor-Module 3 zugeordnet, die jeweils vorzugsweise am Ende der Achsen 10 positioniert sind.
Die Abstützeinrichtung weist durch den Längslenker 13 einen Hebel zur Umlenkung von Bewegung eines Rahmenteils 8 in die vorgegebene Bewegungsrichtungen auf, wobei durch die Aktoren 14, 14' wirksam eine Schwingungsdämpfung gewährleistet ist.
Die erfindungsgemäße Abstützeinrichtung 1 ermöglicht eine aktive Schwingungsentkopplung, die nicht nur für Schienenfahrzeuge 2 sondern auch für Standseilbahnen, Straßenbahnen, stationäre Teleskope, Mikroskope, Bearbeitungsmaschinen und dergleichen eingesetzt werden kann.

Claims

Schienenfahrzeug (2) mit einem Wagenkasten (6) und einem Fahrwerk (4, 4'), das über mindestens eine Achse (10) mit an den Enden derselben angeordneten Rädern (11) verfügt, und mit einer den Wagenkasten (6) abstützenden Abstützeinrichtung (1) enthaltend ein Federelement (12) und eine Mehrzahl von Aktoren (14, 14'), die auf einer dem Federelement (12) zugewandten Seite über ein gemeinsames Verbindungsteil mit dem Federelement (12) gekuppelt sind und auf einer dem Federelement (12) abgewandten Seite an einem Rahmenteil (8) des Wagenkastens (6) angelenkt sind, wobei die Abstützeinrichtung (1) eine Mehrzahl von jeweils einer Achsenseite zugeordneten Feder-Aktor-Module (3) aufweist, die unterhalb eines Bodens (5) des Wagenkastens (6) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsteil als ein mit drei Freiheitsgraden gelagertes Gelenkteil (13) ausgebildet ist, an dem an einer Seite drei Aktoren (14, 14') angelenkt sind und an dem an einer anderen Seite sich das Federelement (12) anschließt.
Schienenfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gelenkteil als ein Längslenker (13) ausgebildet ist, der über zwei Gelenklenker (17, 17') gelenkig mit dem Rahmenteil (8) des Wagenkastens (6) verbunden ist.
Schienenfahrzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Gelenklenker (17) über ein Kugelgelenk (18) mit dem Rahmenteil (8) des Wagenkastens (6) verbunden ist.
Schienenfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Gelenklenker (17') über ein Schwenkgelenk (19) mit dem Rahmenteil (8) des Wagenkastens (6) verbunden ist.
Schienenfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktoren (14, 14') an beiden Enden über Kugelgelenke mit dem Längslenker (13) und dem Rahmenteil (8) des Wagenkastens (6) verbunden sind.
Schienenfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Längslenker (13) einen in einem Winkel abragenden Fortsatz (15) aufweist, derart, dass an dem Fortsatz (15) ein in der Höhe zu den anderen Aktoren (14) versetzter Aktor (14') angelenkt ist.
Schienenfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktoren (14, 14') derart zwischen dem Längslenker (13) und dem Rahmenteil (8) des Wagenkastens (6) angelenkt sind, dass sie sich im Wesentlichen in Richtung des Längslenkers (13) und/oder in Bewegungsrichtung (x-Richtung) des Wagenkastens (6) erstrecken.
Schienenfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktoren (14, 14') als Hydraulikzylinder oder als elektrische Linearantriebe oder als elektro-mechanische Linearantriebe oder als Pneumatikaktoren ausgebildet sind.
Abstützeinrichtung (1) für Schienenfahrzeuge (2) enthaltend ein Federelement (12) und eine Mehrzahl von Aktoren (14, 14'), die auf einer dem Federelement (12) zugewandten Seite über ein gemeinsames Verbindungsteil mit dem Federelement (12) gekoppelt sind und auf einer dem Federelement (12) abgewandten Seite an einem Rahmenteil (8) eines Körpers (6) angelenkt sind, wobei die Abstützeinrichtung (1) eine Mehrzahl von jeweils einer Achsenseite zugeordneten Feder-Aktor-Module (3) aufweist, die unterhalb eines Bodens (5) des Körpers (6) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsteil als ein mit drei Freiheitsgraden gelagertes Gelenkteil (13) ausgebildet ist, an dem an einer Seite drei Aktoren (14, 14') angelenkt sind und an dem an einer anderen Seite sich das Federelement (12) anschließt.
Abstützeinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der abzustützende Körper zum einen über Gelenklenker (17, 17') mit dem Gelenkteil gelenkig und zum anderen über Kugelgelenke mit den Aktoren (14, 14') gelenkig verbunden ist.