DE19715148A1

DE19715148A1 - Verfahren und Einrichtung zur Radsatzführung von Schienenfahrzeugen

Info

Publication number: DE19715148A1
Application number: DE19715148A
Authority: DE
Inventors: Manfred Prof Dr Wiesner; Maik Dipl Ing Rubel; Karl-Heinz Dipl Ing Bengs; Ronald Dipl Ing Jaensch
Original assignee: Deutsche Waggonbau AG
Current assignee: DWA Deutsche Waggonbau GmbH
Priority date: 1997-04-11
Filing date: 1997-04-11
Publication date: 1998-10-15
Also published as: DE59814200D1; ES2306463T3; CZ289238B6; PL325047A1; ATE391063T1; EP0870664B1; EP0870664A3; PL186906B1; CZ72998A3; EP0870664A2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie dazugehörige Ein richtungen zur Radsatzführung von Schienenfahrzeugen, insbeson dere zur Gewährleistung der Laufstabilität der Fahrzeuge im Hochgeschwindigkeitsverkehr, bei denen die Radsätze in Füh rungsrahmen rechtwinklig zueinander ausgerichtet und definiert steif und unverschieblich statisch geführt sowie solche, bei denen zur Verbesserung des Bogenlaufes quasistatische radiale Radsatzstellungen vorgegeben sind.

Es sind Fahrwerke für den Hochgeschwindigkeitsverkehr (GDS 300, Eisenbahningenieur 45 (1994) 10 Seite 722) bekannt, bei denen die Laufstabilität im Gleis durch das Zusammenwirken von defi niert steif und unverschieblich geführten, rechtwinklig zuein ander im Führungsrahmen ausgerichteten Achsen mit einer Dreh hemmung zwischen Führungsrahmen und Wagenkasten erreicht wird.

Dieser Lösung haftet der Nachteil an, daß diese Art der Streckung des Sinuslaufes zu einer starken Ankopplung zwischen Fahr werk und Wagenkasten und damit zu einer Schwingungsanregung des Wagenkastens führt, die nur durch aufwendige konstruktive Maß nahmen eingegrenzt werden kann.

Desweiteren weisen Fahrwerke mit steifer Achsführung in engen Bögen einen höheren Fahrwiderstand sowie einen überdurch schnittlichen Verschleiß der Radprofile auf.

Andere Fahrwerke für den Hochgeschwindigkeitsverkehr (Beispiel TGV, Elektrische Bahnen 90 (1992) 5 Seiten 176 bis 179) ergän zen diese Maßnahmen durch die Verwendung eines größeren Achs standes und durch den Einsatz von Gliederzügen mit Jakobsdreh gestellen. Hierbei ist von Nachteil, daß der längere Achsstand die Bogenlauffähigkeit verschlechtert, die Drehgestellrahmenma sse erhöht sowie unter dem Wagenkasten einen zusätzlichen Raum bedarf erfordert. Der größere Raumbedarf verstärkt insbesondere bei Doppelstock-Fahrzeugen die Nachteile kürzerer Wagenkästen. Gliederzüge mit Jakobsdrehgestellen führen in der Praxis wegen der Achslastbegrenzung zu kürzeren Wagenkästen und damit entwe der zur Verringerung des Sitzplatzanteils oder zur Verringerung bzw. Verkleinerung der Übergangs- und Einstiegbereiche. Diese Züge können auch nur in Werksanlagen getrennt werden. Deshalb ist eine verkehrsgerechte Anpassung der Zuglängen aufwendig. Auch fällt bei relevanten Störungen an einem Wagen der gesamte Zug aus.

Als zusätzliche Maßnahmen zur Erhöhung der Laufstabilität wer den ganz allgemein auch Dämpfungen zwischen Radsatz und Füh rungsrahmen angewendet, wobei die Verringerung der am Bewe gungsverhalten beteiligten Massen und Kräfte angestrebt wird. Die praktischen Einflußmöglichkeiten sind aber hier eher ge ring.

Nach der DE 31 23 858 führt der gleichphasige Radsatzsinuslauf zuerst zu instabilem Laufverhalten des Fahrwerkes. Die Radsätze voll führen eine kombinierte Quer- und Wendebewegung um ihre je weilige Hochachse. Der gegenphasige Radsatzlauf, welcher bei der gleichen Frequenz wie der gleichphasige Radsatzlauf auftre ten kann, ist dagegen deutlich höher gedämpft. Durch die gegen sinnige Kopplung der Radsätze wird ihre gleichsinnige Auslen kung verhindert und das Laufverhalten sowohl im geraden Gleis bis auch im Bogen verbessert. Hierbei ist von Nachteil, daß mit dieser Lösung nur eine begrenzte Anhebung der kritischen Ge schwindigkeiten möglich ist, die für den Hochgeschwindigkeits verkehr nicht ausreicht.

Weiterhin sind Fahrwerke bekannt, bei denen zur Verbesserung des Bogenlaufes die Radsätze im Bogen innerhalb des Führungs rahmen quasistatisch bogenradial eingestellt werden, wobei di rekt auf die elastischen rahmenseitigen Achslenkerlager wirken de äußere Kräfte das radiale Ausdrehen der Radsätze erzwingen (DE 42 40 098) oder Zylinder-Hebel-Systeme die Stellung des Radsatzes so bestimmen, daß sich ein nach Richtung und Krümmung der Kurve vorbestimmter Radsatzausdrehwinkel einstellt (DE 30 04 082). Nachteilig ist hierbei, daß diese Fahrwerke auf Grund der vorhandenen und bei diesen Lösungen auch nicht ver meidbaren Elastizitäten bereits frühzeitig zu instabilem Fahr zeuglauf neigen und damit für den Hochgeschwindigkeitsverkehr nicht einsetzbar sind.

Alle vorhandenen Einrichtungen zur quasistatischen Veränderung der Radsatzstellung reagieren relativ träge und sind deshalb für eine aktive Beeinflussung des Radsatzwellenlaufes nicht ge eignet.

Der im Patentanspruch angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, in Vermeidung der voranbeschriebenen Nachteile ein Verfahren und Einrichtungen zur Steuerung von Fahrwerken zu schaffen, welche in allen Fahrzuständen einen stabilen Radsatz lauf und durch Kraftentkopplung zwischen Fahrwerk und Wagenka sten eine hohe Laufgüte ermöglichen.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale der Hauptansprüche gelöst. Durch die Maßnahme, die vorgegebene statische oder quasistati sche Radsatzstellung mit einem veränderlichen Stellwinkel ψ_St zu überlagern, der durch aktive Krafteinwirkungen innerhalb des Fahrwerkes zwischen Radsatz und Führungsrahmen entsteht, wird die von der Berührungsgeometrie bestimmte Bahnkurve des Radsat zes verändert und Gleisbogenabweichungen sowie Änderungen in der Berührungsgeometrie ausgesteuert, ohne daß die Grundstei figkeit der Führung erheblich beeinträchtigt wird. Frequenz und Abklingverlauf der Ausschlagamplitude können im gesamten Ge schwindigkeitsbereich mit geringer Leistung auf ein stabiles Laufverhalten abgestimmt werden. Das Verfahren kann ohne we sentlichen Mehraufwand redundant ausgeführt werden. Eine Dreh hemmung zwischen Fahrwerk und Wagenkasten ist nicht mehr erfor derlich, kann aber ebenfalls als Rückfallebene vorgesehen wer den. Der Stellwinkel ψ_St ist klein gegenüber dem quasistatischen Ausdrehwinkel von Radsätzen mit radialer Einstellung in kleinen und mittleren Bögen und kann diesem ebenfalls überlagert wer den, wenn die erforderliche Gesamtsteifigkeit der Achsführung gegeben ist. Seine Richtung, Größe und Frequenz wird aus den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 2 genannten Steuergrößen und durch die Fahrgeschwindigkeit bestimmt.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung liegen insbesondere darin, daß die Stabilität und Güte des Fahrzeuglaufs bei Beibe haltung der bewährten Radsatzkonstruktion theoretisch unbe grenzt bis in den Höchstgeschwindigkeitsbereich ohne Sicher heitsverluste gewährleistet wird.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgen den anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigen die Zeichnungen in

Fig. 1 eine prinzipielle Darstellung eines Schienenfahrzeuges in einer beliebigen Stellung im geraden Gleis oder in großen Bögen mit den entsprechenden Winkeln,

Fig. 2 eine prinzipielle Darstellung eines Schienenfahrzeuges im Gleisbogen mit den entsprechenden Winkeln,

Fig. 3 eine Einrichtung zur Erzeugung des Stellwinkels ψ_St der Radsätze mit Exzenterwelle und Schwingarm,

Fig. 4 eine Einrichtung zur Erzeugung des Stellwinkels ψ_St der Radsätze mit Zweikammer-Fluidbuchsen und Schwingarm,

Fig. 5 eine Einrichtung zur Erzeugung des Stellwinkels ψ_St der Radsätze mit Führungsspindeln und Zweikammer-Fluid buchsen,

Fig. 6 eine Einrichtung zur Erzeugung des Stellwinkels ψ_St der Radsätze mit Doppelfederblatt-Radsatzlenkern.

Aus der Fig 1 ist der Wagenkasten 1 eines Schienenfahrzeuges ersichtlich, welcher gegenüber der Gleisachse x um den Winkel ψ_K ausgedreht und gegenüber dem Führungsrahmen 2 um das Maß w querverschoben ist. Der Führungsrahmen 2 ist selbst gegenüber der Gleisachse x um den Winkel ψ_D ausgedreht. Die Ausdrehung ψ_D des Führungsrahmens 2 zum Wagenkasten 1 ergibt sich als Diffe renz beider Ausdrehungen. Die ohne äußere Kraftwirkung senk recht zur Längachse des Führungsrahmens 2 ausgerichteten Rad sätze 3, 3' sind durch eine aktive Steuerung jeweils um den veränderlichen Winkel ψ_St3,3' gegenüber diesem ausgedreht. Ebenso kann der Ausdrehwinkel ψ_AR benutzt werden, der sich als Diffe renz der Ausdrehung der Radsätze 3, 3' zum Gleis und der des Wagenkastens 1 zum Gleis ergibt.

Die Fig. 2 zeigt den Wagenkasten 1 im Gleisbogen, wobei der Führungsrahmen 2 tangential zum Bogen ausgedreht ist. Die Rad sätze 3, 3' sind bereits durch äußere Kräfte mit den Winkeln -ψ₃ und ψ_B3' bogenradial eingestellt und werden durch eine ak tive Steuerung zusätzlich durch die veränderlichen Winkel -ψ_St3' und ψ_St3 ausgedreht.

Die Fig. 3 bis 6 stellen mögliche Ausführungsvarianten der ak tiven Steuerung des Stellwinkels ψ_St zu Beeinflussung des Rad satzwellenlaufes dar. Hierbei wurde auf die gerätetechnische Ausführung zur Ermittlung der Steuergröße für den Stellwinkel ψ_St (Meßwertaufnehmer für ψ_AD oder/und ψ_AR, Auswerteeinheit), die mit an sich bekannten technischen Lösungen realisierbar ist, verzichtet.

Aus der Fig. 3 ist eine Einrichtung ersichtlich, mit der ein durch einen Schwingarm 4 statisch oder quasistatisch im Füh rungsrahmen 2 gehaltener Radsatz 3 mit dem veränderlichen Stellwinkel ψ_St beaufschlagt werden kann. Der Führungsrahmen 2 ist auf dem Achslagergehäuse 5 des Radsatzes 3 gefedert abge stützt. Das Achslagergehäuse 5 besitzt einen Schwingarm 4 mit einer elastischen Buchse 6, die über Exzenter 7 und Exzenter welle 8 im Schwingarmlager 9 gelagert ist. Eine Stellvorrich tung 10, beispielsweise ein Hydraulikzylinder, verändert über den Exzenterhebel 11 die Anschlußlänge L des Schwingarmes 4 ge genüber dem Führungsrahmen 2 um ± ΔL.

Die Fig. 4 zeigt eine weitere Einrichtung, die durch Verwendung einer Zweikammer-Fluidbuchse 12 im Schwingarm 4 den Stellwin kel ψ_St erzeugt. Der Führungsrahmen 2 stützt sich auf dem Achs lagergehäuse 5 ab. Das Achslagergehäuse 5 besitzt ebenfalls den Schwingarm 4, aber ausgerüstet mit einer elastischen Zweikam mer-Fluidbuchse 12, deren Kammern 13, 13' über die Anschlüsse 14, 14' wechselseitig mit Fluid beaufschlagt werden können und so eine Änderung der Anschlußlänge L des Schwingarmes 4 gegen über dem Führungsrahmen 2 um den Betrag ± ΔL bewirken.

Fig. 5 variiert Fig. 4 derart, daß statt eines Schwingarmes 4 Führungsspindeln 15 mit Zweikammer-Fluidbuchsen 12, 12' zur Radsatzführung benutzt werden. Hierbei ist der Führungsrahmen 2 wiederum auf dem Achslagergehäuse 5 des Radsatzes 3 gefedert abgestützt. Zwischen den senkrechten Führungsspindeln 15 des nicht näher dargestellten Führungsrahmens 2 und dem Achslager gehäuse 5 befinden sich je 2 Zweikammer-Fluidbuchsen 12, 12', deren Kammern 13, 13' über die Anschlüsse 14, 14' wechselseitig mit Fluid beaufschlagt werden und so einen Mittenversatz ± ΔL des Achslagergehäuses 5 zu den Führungsspindeln 15 bewirken.

In der Fig. 6 ist eine Einrichtung dargestellt, welche die Mög lichkeit aufweist, den Stellwinkel ψ_St mit einem Doppelfeder blatt-Radsatzlenker 17 zu erzeugen. Wiederum ist der Führungs rahmen 3 auf dem Achslagergehäuse 5 des Radsatzes 3 gefedert abgestützt. Der Führungsrahmen 2 und das Achslagergehäuse 5 be sitzen Lager 16, 16', die mit den gegensinnig gekröpften Feder blatt-Radsatzlenkern 17', 17'' miteinander verbunden sind. Sie sind in ihrem gekröpften Mittelbereich durch eine Stellvorrich tung 10 verbunden, die bei Betätigung den Abstand A der Lenker 17', 17'' in diesem Bereich um ΔA verändert und damit eine Änderung der Länge L um ± ΔL bewirkt.

Die erfindungsgemäße Lösung arbeitet wie folgt:
Mit Meßwertaufnehmern und einer Auswerteeinheit wird die aktu elle Winkelstellung ψ_AD des Führungsrahmens 2 zum Wagenkasten 1 und/oder die Stellung ψ_AR der Radsätze 3, 3' zum Wagenkasten 1 ermittelt und-gleichzeitig der Radsatzsinuslauf als Maß für die Stabilität analysiert. In Abhängigkeit von diesen Stellungen und der Art und Frequenz des Sinuslaufes wird ein Signalerzeu ger aktiviert, der über Steuergrößenerzeuger und über Stellele mente (Fig. 3 bis 6) zwischen Führungsrahmen 2 und Achslagerge häuse 5 jede Radsatzstellung mit einem Stellwinkel ψ_St so über lagert, daß eine Streckung des Sinuslaufes bewirkt wird.

In Fig. 1 ist ein gleichgerichteter Sinuslauf der Radsätze 3, 3' im geraden Gleis bzw. großen Bögen dargestellt, der durch ebenfalls gleichgerichtete Stellwinkel -ψ_St so überlagert wird, daß der Radsatzlauf gestreckt wird. Ein gegensinniger Sinuslauf kann ebenfalls in diesem Sinne ausgesteuert werden. Zweckmäßig ist jedoch, den gegensinnigen Sinuslauf bereits in der Entste hungsphase aktiv zu unterbinden und dem System einen gleichge richteten Sinuslauf aufzuzwingen.

In kleinen Bögen, dargestellt in Fig. 2, sind abweichend zur Fig. 1 die Radsätze 3, 3' zum Führungsrahmen 2 quasistatisch bogenradial eingestellt. Bei hohen Fahrgeschwindigkeiten über der Ausgleichsgeschwindigkeit werden diese Stellungen durch gleichgerichtete Stellwinkel -ψ_St überlagert, die die Anlaufwin kel bogenaußen minimieren und Instabilitäten vermeiden. Bei kleinen Geschwindigkeiten unterhalb der Ausgleichsgeschwindig keit wird am Radsatz 3 weiterhin ein negativer und am Radsatz 3' ein positiver Stellwinkel ψ_St überlagert.

Bezugszeichenliste

1

Wagenkasten

2

Führungsrahmen

3

,

3

' Radsätze

4

Schwingarm

5

Achslagergehäuse

6

elastische Buchse

7

Exzenter

8

Exzenterwelle

9

Schwingarmlager

10

Stellvorrichtung

11

Exzenterhebel

12

,

12

' Zweikammer-Fluidbuchsen

13

,

13

' Kammern

14

,

14

' Anschlüsse

15

Führungsspindeln

16

,

16

' Lager

17

,

17

',

17

'' Doppelfederblatt-Radsatzlenker
ψ_K

Ausdrehwinkel des Wagenkastens
ψ_D

Ausdrehwinkel des Führungsrahmens zur Gleisachse
ψ_R

Ausdrehwinkel der Radsätze zur Gleisachse
ψ_AD

Ausdrehwinkel des Führungsrahmens zum Wagenkasten
ψ_AR

Ausdrehwinkel der Radsätze zum Wagenkasten
ψ_St

Stellwinkel der Radsätze
ψ_B

Ausdrehwinkel der Radsätze zum Führungsrahmen (Bogenradiale Stellung)
A Abstand
w Querversatz des Wagenkastens zum Führungsrahmen
x Gleisachse

Claims

1. Verfahren zur Radsatzführung von Schienenfahrzeugen mit im Führungsrahmen vorgegebener statischer oder quasistatischer Radsatzstellung, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgegebe ne Radsatzstellung durch eine aktive Radsatzsteuerung von einem veränderlichen Stellwinkel ψ_St überlagert wird, der bei mehreren Radsätzen (3, 3') sowohl gleich- als auch ge gensinnig gerichtet sein kann.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Steuergröße des Stellwinkels ψ_St die jeweils gegenüber dem Wagenkasten (1) gemessenen Ausdrehwinkel ψ_AD der Führungs rahmen (2) oder/und ψ_AR der Radsätze oder deren jeweilige Ableitung nach der Zeit verwendet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß in ihrer Länge verstellbare oder in einem Anlenkpunkt verschiebbare Radsatzlenker (17) bei Ausfall der aktiven Steuerung eine laufstabile Endstellung im Führungsrahmen (2) einnehmen und eine Drehhemmung zwischen dem Wagenkasten (1) und dem Führungsrahmen (2) und/oder den Radsätzen (3, 3') wirksam wird.

4. Einrichtung zur Radsatzführung von Schienenfahrzeugen mit in Führungsrahmen vorgegebener statischer oder quasistati scher Radsatzstellung, dadurch gekennzeichnet, daß die ak tive Steuerung aus den Meßwertaufnehmern, der Auswerteein heit und einer schnell reagierenden, die Steifigkeit der Radsatzführung nicht wesentlich beeinträchtigenden Stell vorrichtung besteht.