DE19842345A1 - Schienenfahrzeug mit einem Wagenaufbau - Google Patents

Abstract

Ein Schienenfahrzeug mit einem Wagenaufbau 1 ist elastisch auf Laufwerken aufgelagert und zusätzlich mit einer Schwingungsabsorbereinrichtung 6, 7 ausgestattet, die durch Schwingungssensoren 12 am Wagenaufbau 1 so gesteuert wird, daß die Hauptschwingungsfrequenz der zu betrachtenden Strukturschwingungsform optimal bedämpft wird. Um eine ökonomisch günstige Schwingungsdämpfung zu erzielen, ist eine passive Schwingungsabsorbermasse 6 mittels eines Dämpferelements 7 an den Wagenaufbau 1 angekoppelt, wobei die Eigenresonanzfrequenz der Schwingungsabsorbereinrichtung 6, 7 durch Ändern der Federnkonstante gesteuert wird und ein hinreichendes Breitbandverhalten des Schwingungsabsorbers über den Dämpfer, dessen Kennung gegebenenfalls geändert werden muß, erreicht wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Schienenfahrzeug gemäß dem Oberbegriff des ersten Anspruchs.

Es ist bei Schienenfahrzeugen bekannt (DD 281860 A5), zur Bedämpfung von Strukturschwingungen eines auf Fahrwerken aufgelagerten Wagenkastens am Boden des Wagenkastens aktive Schwingungsdämpfer in Form von Unwuchtschwingern oder Vibratoren anzusetzen. Diese Schwingungsdämpfer erzeugen gegenphasige Schwingungen und werden in Abhängigkeit von Steuersignalen gesteuert, welche die am Boden des Wagenkastens auftretenden Schwingungen erfassen. Neben dem Aufwand für diese aktiven Schwingungsdämpfer erhöht deren Gewicht das Fahrzeuggewicht und für den Betrieb dieser Schwingungsdämpfer ist eine entsprechend hohe Energie aufzuwenden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Schienenfahrzeug gemäß dem Oberbegriff des ersten Anspruchs Maßnahmen zu treffen, durch welche eine energieeffiziente Schwingungsabsorbtion der Strukturschwingungen erreicht wird.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß der Erfindung durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten Anspruchs.

Ein energieeffizienter Schwingungsabsorber ist durch eine Masse, die über Feder-Dämpferelemente an das zu bedämpfende System angekoppelt ist und deren Kennungen im Vergleich zu den Frequenzen des zu bedämpfenden Systems niederfrequent verändert werden können, realisierbar. Hierbei kommen vorzugsweise passive Schwingungsabsorbermassen zur Anwendung, wie sie beispielsweise durch Transformatoren, Klimaanlagen oder sonstige für den Betrieb des Schienenfahrzeugs vorgesehene Hilfsaggregate gegeben sind. Durch eine Ankopplung der Schwingungsabsorber durch jeder- und Dämpferelemente mit variabler Kennung an den Wagenaufbau wird außer für die Steuerung der Kennungen dieser Elemente, die abhängig von den Meßsignalen der Schwingungssensoren über einen Verstellalgorithmus verändert werden, keine weitere Zusatzenergie benötigt. Die Veränderung der Federkennung des Schwingungsabsorbers ist von besonderer Bedeutung, da hierbei überwiegend die Schwingungsabsorberfrequenz, welche auf die Hauptschwingungsfrequenz des zu bedämpfenden Systems abgestimmt werden soll, eingestellt wird. Die Dämpferkennung des Schwingungsabsorbers wird dahingehend abgestimmt, eine hinreichende Breitbandwirkung des Schwingungsabsorbers im Bereich der Haupterregungsfrequenz zu erreichen. Bei einer optimalen Abstimmung des Schwingungsabsorbers schwingt dieser in 90 Grad Phasenverschiebung zur Haupterregungsfrequenz des zu bedämpfenden Systems.

Die Änderung der Kennung der Federelemente zur Änderung der Schwingfrequenz der Schwingungsabsorbereinrichtung kann dabei in der Weise erfolgen, daß die aktive Länge einer mechanischen Blatt- oder Wendelfeder verändert wird. So kann der Fixpunkt bei einer Blattfeder, an welcher die Schwingungsabsorbermasse sitzt, näher zu oder weiter weg von derselben verstellt werden. Bei Wendelfedern ist es möglich, einzelne Teil- oder Vollwindungen der Federwendeln durch axiales Zusammenpressen zu deaktivieren und dadurch ihre Kennung bzw. Federkonstante zu ändern. Für derartige Stellbewegungen können elektrische, pneumatische oder hydraulische Motoren zur Anwendung gelangen, abhängig von den am Schienenfahrzeug vorhandenen Energieversorgungssystem. Dabei erfordert die Verstellung der entsprechenden Steuerungselemente nur einen geringen Energieaufwand. Zur Verstellung eines zusätzlichen Federtellers in einer Wendelfeder genügt hierbei ein Spindelantrieb, dessen Spindel in der Längsmittelachse der Wendelfeder verläuft und die mit dem Federteller gekuppelt ist. Der Spindelantrieb kann sich dabei auf einem der endseitigen Federteller abstützen, während die Spindel axial fest mit dem Zusatzfederteller verbunden ist. Durch Axialverstellung der Spindel abhängig von der Haupterregungsfrequenz des zu bedämpfenden Systems kann das axiale Zusammenpressen oder Freigeben von Windungen erfolgen, die sich im Bereich der Spindel befinden.

Bei Verwendung von plattfedern ist es zweckmäßig, Material zu verwenden, das durch thermische Beeinflussung seinen Elastizitätsmodul verändert und damit die Federkonstante. Eine mechanische Änderung der Federlänge ist dann nicht erforderlich. Wird dagegen eine mechanische Änderung der Federlänge bevorzugt, dann braucht die Blattfeder nur längsverschiebbar in Halterungen geführt sein, um die Federkonstante zu ändern. Daneben ist es aber auch möglich, hydropneumatische Aktuatoren als Federelemente einzusetzen, bei welchen der pneumatische Gegendruck im System veränderbar ist.

Zur Änderung der Dämpferkennung können verschiedene Ansätze gewählt werden. Eine Möglichkeit ist die Verwendung von hydraulischen Dämpfern. Hierbei ist die Dämpfungswirkung proportional zum Durchflußwiderstand des geschlossenen Fluidstroms, welcher über ein Servoventil ebenfalls abhängig von der Hauptschwingungsfrequenz des Wagenkastens gesteuert wird.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Prinzipskizzen eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Prinzipansicht eines Schienenfahrzeugs mit Laufwerken und an den Fahrzeugaufbau angekoppelter Schwingungsdämpfermasse,

Fig. 2 eine Prinzipskizze des Schienenfahrzeugs mit Verbindungselementen zwischen dem Wagenaufbau und den Laufwerken bzw. der Schwingungsdämpfermasse und

Fig. 3 ein Schwingungsabsorberelement aus Feder und Dämpfer.

Ein Schienenfahrzeug weist einen Wagenaufbau 1 in Form eines Wagenkastens für den Personentransport auf, der endseitig auf zweiachsigen Laufwerken 2, insbesondere auf Drehgestellen aufsitzt. Räder 3 der Laufwerke 2 sind auf Schienen 4a geführt. Zwischen den mit Abstand angeordneten Laufwerken 2 ist vorzugsweise an die Unterseite des Bodens 4 des Wagenaufbaus 1 eine Schwingungs­ absorbereinrichtung 5 zumindest in vertikaler Richtung schwingfähig angekoppelt. Die Schwingungsabsorbereinrichtung umfaßt zumindest eine Schwingungsabsorbermasse 6 sowie wenigstens eine Federeinrichtung 7. Die Schwingungsabsorbermasse 6 ist vorzugsweise flachquaderförmig ausgebildet und weist quer zur Längsrichtung des Wagenaufbaus 1 höchstens eine Breite auf, die die Breite des Wagenaufbaus 1 nicht überschreitet. Die Federeinrichtung 7 besteht aus vorliegend vier passiven Einzelfedern 7.1, die insbesondere als Blattfedern oder Wendelfedern ausgebildet sind und vier Dämpfern 7.2, die vorzugsweise als steuerbare hydraulische Dämpfer ausgelegt sein können (Fig. 3). Mittels des Federelements 7 ist die Schwingungsabsorbermasse 6 an die Struktur des Bodens 4 mechanisch schwingfähig in vertikaler Richtung angekoppelt. Die Dämpfer 7.2 sind dabei in ihrer Wirkung parallel zu den Einzelfedern 7.1 angeordnet. Die Fahrwerke 2 weisen einen Fahrwerkrahmen 8 auf, an welchen die Räder 3 bzw. die entsprechenden Radsätze über Primärfedern 9 und der Wagenaufbau 1 mittels steuerbaren hydropneumatischen, federnden Aktuatoren 10 elastisch abgestützt sind. Die aktiv steuerbaren Aktuatoren 10 bilden hierbei eine Sekundärfederung. Mittels der Aktuatoren 10 werden die niederfrequenten, etwa zwischen null und zwei Hertz (0-2 Hz) liegenden vertikalen Schwingungen des Wagenaufbaus 1 ausgeregelt bzw. denselben entgegengewirkt und bedämpft. Querschwingungen des Wagenaufbaus 1 werden dabei mittels eines gegebenenfalls aktiv gesteuerten Querdämpfers 11 an den einzelnen Fahrwerken 2 ausgesteuert. Die Querdämpfer 11 wirken dabei zwischen den Fahrwerkrahmen 8 und dem Wagenaufbau 1, beispielsweise den damit verbundenen Drehzapfen 15, die mit den Fahrwerkrahmen 8 zusammenwirkt.

Die im Betrieb des Schienenfahrzeugs auftretenden höherfrequenten Schwingungen im Bereich von beispielsweise vier bis zwanzig Hertz (4-20 Hz) gehen hauptsächlich auf Strukturschwingungen des Wagenaufbaus 1 zurück und werden von Passagieren als besonders unangenehm empfunden. Zur Bedämpfung dieser höherfrequenten Schwingungen dient die Schwingungsabsorbereinrichtung 5. Um hierbei innerhalb des relativ weiten Frequenzbereichs die jeweils auftretende Hauptschwingungsfrequenz selektiv bedämpfen zu können, wird die Eigenresonanzfrequenz und/oder die Dämpfung der Absorbereinrichtung variiert und auf die hauptsächlich auftretende Schwingfrequenz abgestimmt.

Zur Veränderung der Eigenresonanzfrequenz der Schwingungsabsorbereinrichtung 5 werden als Feder- und Dämpferelemente 7 vorzugsweise Wendelfedern 7.1 oder Blattfedern gepaart mit einem Dämpfer 7.2 eingesetzt. Um die Federkonstante verändern zu können, braucht lediglich ihre aktive Länge verändert zu werden. Das kann bei Wendelfedern dadurch erfolgen, daß mittels eines zusätzlichen, gegebenenfalls axial verstellbaren Federtellers Teilwindungen oder ganze Windungen durch axiales Zusammendrücken unwirksam gemacht werden bzw. daß axial zusammengedrückte Windungen für den Schwingungsvorgang freigegeben werden. Bei Blattfedern läßt sich die Federkonstante beispielsweise dadurch verändern, daß ihre aktive Länge durch Relativverschiebung eines Einspannpunktes entlang ihrer Längsachse vergrößert oder verkleinert wird. Bei thermisch steuerbaren Blattfedern können denselben elektrische Heizelemente als Steuermittel zugeordnet werden, die abhängig von der geforderten Federkonstante beheizt werden. Die Kennung des Dämpfers 7.2 bzw. Seine Dämpfungskonstante kann bei Reibungsdämpfern durch gesteuertes Ändern der Reibkraft und bei hydraulischen Dämpfern durch gesteuerte Einstellung der Überströmdrossel variiert werden. Die Schwingungen des Wagenaufbaus 1 werden dazu mittels Schwingungssensoren 12 erfaßt, welche in Bezug auf die zu bedämpfende Strukturschwingungsform möglichst in den Bäuchen und nicht in den Knoten dieser Strukturschwingungsform positioniert werden. Wird hierbei beispielsweise die erste Biegeschwingung eines Wagenkastens 1 in Betracht gezogen, können diese Schwingungssensoren 12 vorzugsweise in den Endbereichen des Wagenaufbaus 1 im Bereich der jeweiligen Längsseitenränder angeordnet sein oder aber in der Mitte des Wagenaufbaus 1. Diese Schwingungssensoren liefern Schwingungssteuersignale über die Anschlüsse a, b, c, d an eine insbesondere mikroprozessorgesteuerte Steuereinheit 13, die aus den Meßsignalen der Schwingungssensoren 12 ein Steuersignal generiert, das die hauptsächlich zu bedämpfende Schwingfrequenz berücksichtigt und abhängig davon die Kennungen der Schwingungsabsorbereinrichtung 5 verändert. Hierzu wird die Federkonstante des oder der Feder-/Dämpferelemente 7 so verändert, daß die Eigenresonanzfrequenz sukzessive auf die zu bedämpfende Hauptfrequenz der zu bedämpfenden Strukturschwingung verändert wird, und die Dämpferkennung des Feder- /Dämpferelemente 7 derart verändert wird, so daß ein optimales Breitbandabsorptionsverhalten erreicht wird. Bei einer optimalen Abstimmung der Schwingungsabsorbereinrichtung 5 schwingt diese 90 Grad phasenverschoben zur Haupterregungsfrequenz. Bei der Verwendung von Anbaumassen als Schwingungsabsorber muß ferner darauf geachtet werden, daß eine kritische Beschleunigung der Anbaumasse nicht überschritten wird. Hierzu ist insbesondere der Schwingungsabsorbermasse ein Schwingungssensor 14 zugeordnet, der die Beschleunigung der Schwingungsabsorbermasse 6 erfaßt und an die Steuereinheit 13 zurückmeldet. Im Falle einer Überschreitung der kritischen Beschleunigungsamplitude wird die Federkennung der Feder-/Dämpfereinheit 7 und damit die Eigenfrequenz der Schwingungsabsorbereinheit 5 derart verändert bis die kritische Beschleunigungsamplitude unterschritten ist. Dies hat zur Folge, daß die Schwingungsabsorbereinheit 5 die Hauptschwingungsfrequenz der zu betrachtenden Strukturschwingung nicht mehr in vollem Umfang bedämpft wird.

Die Lage der Schwingungsabsorbereinheit 5 und damit die Wahl der entsprechenden Zusatzmasse ist abhängig von der Strukturschwingungsform der zu bedämpfenden Strukturschwingung des Wagenaufbaus 1. Hierbei muß die Lage der Schwingungsabsorbereinheit 5 möglichst weit von einem Schwingungsknoten und damit möglichst nah an einen Schwingungsbauch der zu betrachtenden Strukturschwingung des Wagenaufbaus 1 gewählt werden. Dadurch ist eine möglichst effiziente Bedämpfung der Strukturschwingung des Wagenaufbaus 1 durch die Schwingungsabsorbereinrichtung 5 bei geringem Energieaufwand gewährleistet.

Im übrigen ist es auch möglich, bei der Verwendung von hydropneumatischen Aktuatoren 7, wie sie auch am aktiven Fahrwerk 2 vorgesehen sein können, die Federkonstante dadurch zu ändern, daß der pneumatische Gegendruck entsprechend verändert wird. Diese Maßnahme kann auch bei den Aktuatoren 10 von Vorteil sein, um die Federungseigenschaften den jeweils aktuellen Fahrbedingungen entsprechend anpassen zu können. Zur Steuerung der Federelemente 7 und der Aktuatoren 10 können gemeinsam die Schwingungssensoren 12 verwendet werden. Es braucht aus diesen Signalen dann jeweils nur der niederfrequente Anteil zur Steuerung der Aktuatoren 10 und der demgegenüber höherfrequente Anteil zur Steuerung der Federelemente 7 herausgefiltert zu werden. Alternativ oder zusätzlich können auch im mittleren Bereich der Längenerstreckung des Wagenaufbaus Schwingungssensoren vorgesehen werden, die zumindest der Steuereinheit 13 zur Abstimmung der Dämpfer- oder Federkonstante der Federelemente 7 zugeführt werden.

Um das Gewicht des Schienenfahrzeugs durch die zur Schwingungsabsorption erforderliche Schwingungsabsorbermasse nicht zusätzlich zu belasten wird als Schwingungsabsorbermasse vorzugsweise eine für den Betrieb der Schienenfahrzeuge ohnehin vorgesehene Anbaumasse verwendet. Dabei kann es sich vorzugsweise um einen Transformator, eine Klimaanlage oder betriebsnotwendige Gerätschaften handeln, die gegebenenfalls auf einem Zwischenträger zusammengefaßt werden und mit den Federelementen 7 eine gemeinsame Baueinheit bilden. Im übrigen sind die Fahrwerke 2 jeweils mittels Drehzapfens 15 schwenkbeweglich mit dem Wagenaufbau 1 verbunden.

Claims (7)

1. Schienenfahrzeug mit einem Wagenaufbau, an dem zumindest eine Schwingungsabsorbereinrichtung zur energieeffizienten Bedämpfung von Schwingungen des Wagenaufbaus vorgesehen ist, wobei die Schwingfrequenz der Schwingungsabsorbereinrichtung abhängig von Steuersignalen wenigstens eines dem Wagenaufbau zugeordneten Schwingungssensors gesteuert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingungsabsorbereinrichtung (5) eine über Feder- /Dämpfer-Elemente (7.1, 7.2) an den Wagenaufbau (1) angekoppelte passive Schwingungsabsorbermasse (6) aufweist, und daß die Kennungen der Schwingungsabsorbereinrichtung (5) abhängig von den Steuersignalen des Schwingungssensors (12) veränderbar sind.

2. Schienenfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingungsabsorbermasse (6) mit dem Wagenaufbau (1) mittels wenigstens einem Feder- und Dämpferelement (7) gekoppelt ist, dessen Feder- und/oder Dämpferkonstante änderbar ist.

3. Schienenfahrzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Länge einer mechanischen Blatt- oder Wendelfeder (7.1) veränderbar ist.

4. Schienenfahrzeug nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Absorbermasse (6) zumindest eine Anbaumasse, insbesondere einen Transformator und/oder eine Klimaanlage umfaßt.

5. Schienenfahrzeug nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß das Federelement (7) ein hydropneumatischer Aktuator ist, bei dem der pneumatische Gegendruck änderbar ist.

6. Schienenfahrzeug nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingungsabsorbereinheit (5) zumindest annähernd im Bereich eines Schwingungsbauchs der zu bedämpfenden Strukturschwingung angeordnet ist.

7. Schienenfahrzeug nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingungsfrequenz der Schwingungsabsorbereinrichtung (5) mit einer Phasenverschiebung von etwa 90 Grad gegenüber der Haupterregerfrequenz gesteuert ist.