-
Die Erfindung betrifft ein Schienenfahrzeug-Rad gemäß dem Anspruch 1. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Steuerung eines elektrischen Beaufschlagungssignals wenigstens eines Energiewandlers eines Schienenfahrzeug-Rades gemäß Anspruch 10.
-
Allgemein betrifft die Erfindung das Gebiet der Schallverminderung bei Schienenfahrzeugen. Es ist feststellbar, dass die Anforderungen an eine Schallverminderung in diesem Bereich stetig steigen. Künftige Schienenfahrzeuge müssen eine gegenüber dem heutigen Stand der Technik um bis zu 5 dB geringere Schallabstrahlung aufweisen. Untersuchungen haben ergeben, dass die Schallquellen neben den Bremsgeräuschen maßgeblich die Rollgeräusche der Schienenfahrzeuge sind, die in Folge von Schwingungen der Schienenfahrzeug-Räder auf der Schiene entstehen.
-
Aus der
EP 1 892 122 A1 ist ein Schallabsorber-Element zur Körperschalldämmung bei einem Schienenfahrzeug-Rad bekannt. Das Schallabsorber-Element ist z. B. durch Schrauben von außen an einem Laufkranz des Schienenfahrzeug-Rades befestigbar. Bei einer solchen Anordnung ist das Schallabsorber-Element schädigenden Umwelteinflüssen ausgesetzt und unterliegt daher einem Verschleiß und Verschmutzung. Ausserdem ist die Effizienz dadurch eingeschränkt, dass entstandener Schall lediglich abgeschirmt wird. Besser ist es, die Schallentstehung bereits zu unterdrücken bzw. zu minimieren.
-
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Schienenfahrzeug-Rad anzugeben, das unter Vermeidung der genannten Nachteile des Standes der Technik eine hochwirksame Radschall-Absorption erlaubt. Es ist ferner Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Schienenfahrzeug-Rads anzugeben.
-
Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1 und 10 angegebene Erfindung gelöst. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung an.
-
Gemäß der Erfindung ist wenigstens ein Energiewandler zur Radschall-Absorption in den Schienenfahrzeug-Rad integriert angeordnet. Als Energiewandler wird ein Bauteil bezeichnet, das Energie in einer Energieform, z. B. kinetische Energie, aufnehmen und nach Umwandlung in eine andere Energieform, z. B. elektrische Energie, wieder abgeben kann. Je nach Ausführung des Energiewandlers kann dieser vollständig im Schienenfahrzeug-Rad integriert angeordnet sein, d. h. vollständig innerhalb des Schienenfahrzeug-Rads angeordnet sein, oder zumindest in Teilen aus dem Schienenfahrzeug-Rad herausragen. Eine solche Integration eines Energiewandlers in das Schienenfahrzeug-Rad erlaubt vorteilhaft eine breitbandige und hochfrequente Schwingungstilgung mittels Energie-Dissipation und somit eine hochwirksame Radschall-Dämpfung. Unter Radschall wird in diesem Zusammenhang die Schallabstrahlung des Schienenfahrzeug-Rads verstanden. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Integration eine vollständige Kapselung des Energiewandlers gegenüber Umwelteinflüssen erlaubt.
-
Die von dem Energiewandler bzw. den Energiewandlern abgegebene Energie kann beispielsweise in Wärme umgewandelt und aus dem Schienenfahrzeug-Rad abgeführt werden. Im Falle der Abgabe elektrischer Energie kann die von dem Energiewandler bzw. den Energiewandlern abgegebene Energie beispielsweise durch angeschlossene Widerstände in Wärme umgesetzt werden.
-
Durch solche in die Struktur eines Schienenfahrzeug-Rads integrierte Energiewandler lassen sich die während des Rollens entstehenden Schwingungen und die damit verbundene Lärmentwicklung wirksam unterdrücken. So können beispielsweise in einer Nut zwischen dem Radkörper (Nabe) und dem Radreifen eines Schienenfahrzeug-Rades auf dem Umfang verteilt Energiewandler eingebaut werden. Vorteilhaft ist beispielsweise die Verwendung einer geraden Zahl auf dem Umfang verteilter Paare von piezokeramischen Stapelaktoren.
-
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Dämpfungseigenschaften gezielt an gewünschte Vorgaben angepasst werden können und eine aktive Schwingungsunterdrückung in einem geschlossenen Radkörper möglich wird.
-
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der wenigstens eine Energiewandler zur direkten oder indirekten Umwandlung zwischen den Energieformen kinetische Energie und elektrische Energie ausgebildet. Der Energiewandler kann vorteilhaft beispielsweise als piezokeramischer Aktor, elektro- oder magnetoreologischer Flüssigkeits-Aktor oder als elektromagnetischer Aktor ausgebildet sein.
-
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der wenigstens eine Energiewandler als piezokeramischer Aktor ausgebildet. Dies erlaubt vorteilhaft die Unterbringung eines kleinbauenden Aktors in begrenztem Bauraum, wobei der Aktor zugleich zur Abgabe und Aufnahme hoher Kräfte geeignet ist. In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann der piezokeramische Aktor als Stapelaktor ausgebildet sein, d. h. in Form eines Stapels von piezokeramischen Einzel-Aktoren. Dies erlaubt auf einfache Weise den Aufbau eines kräftigen Energiewandlers mit ausreichend großem mechanischen Hub-Bereich.
-
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der wenigstens eine Energiewandler als passiver Energiewandler zur Absorption aufgenommener kinetischer Energie ausgebildet. Dies hat den Vorteil, dass – im Gegensatz zu aktiven Aktoren – keine Energiequelle zur Versorgung des Energiewandlers zur Abgabe von Energie erforderlich ist. Hierdurch ist eine besonders einfache Integration in das Schienenfahrzeug-Rad möglich.
-
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der wenigstens eine Energiewandler als aktiver Energiewandler ausgebildet, über den Energie in Form von kinetischer Energie an das Schienenfahrzeug-Rad gesteuert abgebbar ist. Diese Weiterbildung erlaubt vorteilhaft eine kontrollierte aktive Bedämpfung des Radschalls. So kann beispielsweise von einer elektronischen Steuerung, die in das Schienenfahrzeug-Rad integriert sein kann, der entstehende Radschall bestimmt werden und ein entsprechend phasenverschobenes, z. B. gegenphasiges, Ansteuersignal an den aktiven Energiewandler abgegeben wird, so dass mittels aktiver Regelung der Radschall gedämpft wird.
-
Die Erfindung eignet sich grundsätzlich für Schienenfahrzeug-Räder aller Bauarten, z. B. Vollrädern (Monobloc-Rädern), Speichenrädern und Rädern mit Radreifen. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der wenigstens eine Energiewandler derart zwischen dem Radkörper und einem Radreifen des Schienenfahrzeug-Rades angeordnet, dass zwischen der Radkörper und dem Radreifen auftretende mechanische Verformungen von dem Energiewandler aufnehmbar oder vom Energiewandler zwischen Radkörper und Radreifen abgebbar sind. Dies erlaubt eine besonders direkte und daher energetisch hocheffiziente Energieübertragung von den Bauteilen des Schienenfahrzeug-Rads auf den Energiewandler bzw. vom Energiewandler auf die Bauteile des Schienenfahrzeug-Rads. Dementsprechend lässt sich mit dieser Ausführungsform eine besonders effiziente Radschall-Absorption realisieren. In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der wenigstens eine Energiewandler dabei bezüglich seiner bevorzugten Energieaufnahmerichtung radial in dem Schienenfahrzeug-Rad angeordnet.
-
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist eine Mehrzahl von Energiewandlern zu einem Shunt-Netzwerk verschaltet. Das Shunt-Netzwerk nimmt die von den Energiewandlern in Folge der Verformungen zwischen Radkörper und Radreifen dissipierte elektrische Energie auf, so dass eine strukturelle Dämpfung erzielt wird. In einer vorteilhaften Ausgestaltung werden in dem Shunt-Netzwerk sogenannte negative Kapazitäten eingesetzt. Die negativen Kapazitäten haben den Vorteil, breitbandig, d. h. in einem großen Frequenzspektrum, Energie zu absorbieren. So kann bereits mit einem semi-passiven Shunt-Netzwerk eine Reduzierung des Radschalls um 20 dB erreicht werden.
-
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung können die Energiewandler auch aktiv angesteuert werden, z. B. um aktiv und selektiv ausgewählte Schwingungsformen des Schienenfahrzeug-Rades, insbesondere des Radreifens, zu kompensieren. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist das Schienenfahrzeug-Rad eine elektrische Energiequelle auf. Der wenigstens eine Energiewandler zur Radschall-Absorption ist mit elektrischer Energie von der elektrischen Energiequelle beaufschlagbar. Die Energiequelle stellt damit die erforderliche elektrische Versorgung für den Energiewandler und für Sensoren, elektronische Steuer- oder Regel-Schaltung und Aktorverstärker bereit.
-
In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die Energiequelle einen Energiespeicher, z. B. einen Akkumulator, aufweisen. Zum Laden des Energiespeichers wird die vom Energiewandler erzeugte Energie als elektrische Energie in den Energiespeicher eingespeist. Bei einem Bedarf, den Energiewandler aktiv mit Energie zu beaufschlagen, kann diese dann dem Energiespeicher wieder entnommen werden.
-
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Energiequelle einen Nabengenerator auf. Dies erlaubt eine einfache und kompakte Integration einer Energiequelle in ein Schienenfahrzeug-Rad. Hierdurch kann auf elektrische Energiespeicher, z. B. Akkumulatoren, im Schienenfahrzeug-Rad verzichtet werden. Alternativ kann ein kleinbauender Akkumulator zur Pufferung verwendet werden. Der Akkumulator kann vorteilhaft von dem Nabengenerator aufgeladen werden.
-
Ein vorteilhaftes Verfahren zur Steuerung eines elektrischen Beaufschlagungssignals wenigstens eines Energiewandlers eines Schienenfahrzeug-Rades sieht vor, dass zur Reduzierung des vom Schienenfahrzeug-Rad abgegebenen Schalls ein elektrisches Steuersignal an den wenigstens einen Energiewandler abgegeben wird, durch das der Energiewandler den abgegebenen Schall reduziert. Hierbei wird vorteilhaft die schallerzeugende Verformung des Schienenfahrzeug-Rads minimiert, indem der Energiewandler die verbleibende Verformung des Rades und damit den abgegebenen Schall reduziert. Das Steuersignal wird in einer vorteilhaften Ausgestaltung von einer in das Schienenfahrzeug-Rad integrierten elektronischen Steuer- oder Regel-Schaltung erzeugt. Die elektronische Schaltung ist derart eingerichtet, dass der aktuell vom Schienenfahrzeug-Rad erzeugte Schall erfasst wird und der Energiewandler mit einem geeigneten phasenverschobenen Signal, über das der Radschall aktiv gedämpft wird, beaufschlagt wird.
-
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Verwendung von Zeichnungen näher erläutert:
-
Es zeigen
-
1 ein Schienenfahrzeug-Rad in vereinfachter schematischer Darstellung und
-
2 einen Schnitt durch das Schienenfahrzeug-Rad gemäß 1 entlang der Linie A-A und
-
3 eine Energie-disspierende Schaltung und
-
4 eine zweite Ausführungsform einer Energie-disspierenden Schaltung und
-
5 eine dritte Ausführungsform einer Energie-disspierenden Schaltung und
-
6 eine zweite Ausführungsform eines das Schienenfahrzeug-Rads in der gleichen Schnittdarstellung wie 2.
-
In den Figuren werden gleiche Bezugszeichen für einander entsprechende Elemente verwendet.
-
Die 1 zeigt ein Schienenfahrzeug-Rad 1 mit einem Radreifen 2, der auf einer Nabe 3, die auch Radkörper genannt wird, befestigt ist. Der Radkörper 3 ist über ein Lager 4 auf einer Achse 5 gelagert. Der Radreifen 2 weist den bei Schienenfahrzeugen üblichen Spurkranz 16 auf. In das Schienenfahrzeug-Rad 1 sind in dem Bereich zwischen dem Radreifen 2 und der Nabe 3 eine Mehrzahl von Energiewandlern 6, 7 integriert, die gleichmäßig über den Umfang des Schienenfahrzeug-Rades 1 verteilt angeordnet sind.
-
Die 2 zeigt das Schienenfahrzeug-Rad 1 gemäß 1 in Schnittdarstellung entlang der in 1 dargestellten Linie A-A. Zwischen der Nabe 3 und dem Radreifen 2 ist ein erster Energiewandler 6 und ein zweiter Energiewandler 7 angeordnet. Die Energiewandler 6, 7 sind als piezokeramische Stapelaktoren ausgebildet. Die Energiewandler 6, 7 sind über elektrische Leitungen 9, 10, 19, 20 mit einer elektrischen Schaltung 8 verbunden. Die elektrische Schaltung 8 kann als passives elektrisches Schaltungsglied oder als aktives Schaltungsglied, über das die Energiewandler 6, 7 mit elektrischer Energie beaufschlagbar sind, wirken. Wie erkennbar ist, sind die Energiewandler 6, 7, die Leitungen 9, 10, 19, 20 und die elektrische Schaltung 8 in das Schienenfahrzeug-Rad 1 vollständig integriert und darin angeordnet. Jenseits der Achse 5 (unten in 2) befindet sich spiegelsymmetrisch ein vergleichbarer Aufbau wie oberhalb der Achse 5 dargestellt.
-
Die 3 und 4 zeigen vorteilhafte Ausführungsformen der elektrischen Schaltung 8. Gemäß 3 ist die elektrische Schaltung 8 als passives Shunt-Netzwerk ausgebildet. Hierbei ist mit den Leitungen 9, 10 eine erste Impedanz 30 und mit den Leitungen 19, 20 eine zweite Impedanz 31 verbunden. Die Impedanzen 30, 31 können jeweils aus Induktivitäten, Kapazitäten und Widerständen bestehen. Die Impedanzen 30, 31 werden, abgestimmt auf den jeweils verwendeten Energiewandler-Typ, derart dimensioniert, dass sich die gewünschten Radschall-Dämpfungswerte im gewünschten Frequenzbereich ergeben.
-
Die 4 zeigt eine alternative Ausführungsform der elektrischen Schaltung 8, wobei zur Vereinfachung nur der an den Energiewandler 6 angeschlossene Schaltungsteil dargestellt ist. Der an den Energiewandler 7 angeschlossene Schaltungsteil kann vergleichbar ausgebildet sein. Die Leitungen 9, 10 sind an eine Schaltung 40 angeschlossen. Die Schaltung 40 kann beispielsweise Leistungstransistoren aufweisen. Die Schaltung 40 kann zudem die anhand der 3 erläuterten Impedanzen aufweisen. Über die Leistungstransistoren können die Impedanzen mit dem Energiewandler verbunden oder davon getrennt werden. An die Schaltung 40 ist außerdem ein Gleichspannungswandler 41 angeschlossen. An den Gleichspannungswandler 41 ist wiederum ein elektrischer Akkumulator 42 angeschlossen. Die Schaltung 40 und der Gleichspannungswandler 41 sind von einem Steuerungselement 43, z. B. einem Mikroprozessor, steuerbar. Über das Steuerungselement 43 erfolgt die Steuerung derart, dass im Falle einer Radschall-Abgabe des Schienenfahrzeug-Rads, die sich ohne aktive Beaufschlagung des Energiewandlers mit elektrischer Energie ausreichend dämpfen lässt, wird die vom Energiewandler abgegebene elektrische Energie über die Schaltung 40 geglättet und über den Gleichspannungswandler 41 in den Akkumulator 42 eingespeichert. Sofern das Steuerungselement 43 feststellt, dass zur erwünschten Radschall-Dämpfung eine aktive Beaufschlagung des Energiewandlers mit elektrischer Energie erforderlich ist, entnimmt das Steuerungselement 43 dem Akkumulator 42 über den Gleichspannungswandler 41 elektrische Energie und steuert diese in geeigneter Frequenz- und Phasenlage über die Schaltung 40 und die Leitungen 9, 10 in den Energiewandler 6 ein. Die Steuerung erfolgt derart, dass sich die gewünschte Radschall-Dämpfung ergibt. Die Steuerung kann beispielsweise derart erfolgen, dass bei Durchquerung lärmsensitiver Umgebungsbereiche, z. B. in Innenstädten, eine stärkere Radschall-Dämpfung durch aktive Beaufschlagung über den Energiewandler erfolgt und bei Durchquerung weniger lärmsensitiver Umgebungsbereiche, beispielsweise unbewohnter Gebiete, der Energiewandler 6 passiv betrieben wird und die von dem Energiewandler 6 erzeugte elektrische Energie in den Akkumulator 42 gespeichert wird.
-
Die 5 zeigt eine alternative Ausführungsform der elektrischen Schaltung 8, die zum semi-passiven Betrieb des Energiewandlers 6 geeignet ist. Über die Schaltung gemäß 5 kann eine sogenannte negative Kapazität auf einfache Weise mit wenigen, handelsüblichen Bauelementen realisiert werden. Die Schaltung gemäß 5 kann daher sehr kostengünstig realisiert werden. Gemäß 5 ist der Energiewandler 6, der in Form eines Ersatzschaltbildes als Reihenschaltung einer Spannungsquelle Up und eines Kondensators Cp dargestellt ist, über die Leitung 9 mit einem Widerstand R4 verbunden. Der Widerstand R4 ist mit einem ersten Eingangsanschluss eines Operationsverstärkers OP1, einem Kondensator C1 und einem Widerstand R1 verbunden. Über die Leitung 10 ist der Energiewandler 6 mit einem Widerstand R3 verbunden. Der Widerstand R3 ist mit dem zweiten Eingangsanschluss des Operationsverstärkers OP1 sowie mit einem Widerstand R2 verbunden. Der Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers OP1 ist mit den Widerständen R1, R2 und dem Kondensator C1 verbunden. Hierdurch lässt sich eine negative Kapazität realisieren, die folgenden Wert C aufweist: C = – R3 / R2·C1
-
Der Widerstand R4 dient zur Dissipation der von dem Energiewandler 6 zugeführten elektrischen Energie. Eine derart aufgebaute negative Kapazität weist eine hohe Breitbandigkeit auf. Über die entsprechende Dimensionierung der Bauteile kann das gewünschte Frequenzverhalten im Detail eingestellt werden.
-
Die 6 zeigt eine weitere Ausführungsform des Schienenfahrzeug-Rades in der gleichen Schnittdarstellung wie 2. Im Unterschied zu 2 ist statt der elektrischen Schaltung 8 eine elektrische Schaltung 18 vorgesehen, die mit einem Nabengenerator verbunden ist. Hierfür ist die die elektrische Schaltung 18 mit einer elektrischen Spule 11 verbunden. Auf der Achse 5 ist zudem eine Hülse 12 angeordnet, die drehfest mit der Achse 5 verbunden ist. In die Hülse 5 ist eine Mehrzahl von Permanentmagneten 13, 14 eingebettet, die über den Umfang der Hülse 12 verteilt sind. Jenseits der Achse 5 (unten in 6) befindet sich spiegelsymmetrisch ein vergleichbarer Aufbau wie Oberhalb der Achse 5 dargestellt. Dort ist beispielsweise eine Spule 15 mit einer weiteren elektrischen Schaltung oder mit der bereits erwähnten elektrischen Schaltung 18 verbunden. Durch entsprechende Drehung der Nabe 3 gegenüber der Achse 5, d. h. bei fahrendem Schienenfahrzeug, induzieren die Permanentmagnete 13, 14 elektrische Spannungen in den Spulen 11, 15. Die elektrischen Spannungen werden von der elektrischen Schaltungsanordnung 18 aufgenommen und in einem Energiespeicher, z. B. einem Akkumulator, gespeichert. Der Aufbau der elektrischen Schaltungsanordnung 18 kann grundsätzlich vergleichbar wie die elektrische Schaltungsanordnung gemäß 4 erfolgen, mit dem Unterschied, dass die elektrische Energie zum Aufladen des Akkumulators 42 in der Ausführungsform gemäß 6 aus den Spulen 11, 15 gewonnen wird. Zur Umwandlung des in den Spulen 11, 15 induzierten Spannungssignals ist vorteilhaft noch eine Gleichrichter-Anordnung vorgesehen.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
