Die Erfindung betrifft ein Wagenkasten-Neigungssystem,
wie es beispielsweise für Waggons von Eisenbahnzügen
Anwendung finden kann. Dabei handelt es sich um ein so
genanntes aktives Beeinflussen der Neigung des Waggons
bzw. des Wagenkasten in bezug zum Fahrwerk bzw. Drehge
stell, um den Insassen eines Personenzuges in den Kur
ven ein verbessertes Fahrgefühl zu vermitteln. Hierbei
wird der Wagenkasten unter Zuhilfenahme des aktiven Wa
genkasten-Neigungssystems in Abhängigkeit vom Krüm
mungsradius der Kurve und der Fahrgeschwindigkeit der
art geneigt, daß auf den Fahrgast möglichst wenig Sei
tenkräfte einwirken. Der Wagenkasten "legt" sich somit
bei schneller Fahrt in die Kurve, so daß der Fahrkom
fort trotz quadratisch mit der Geschwindigkeit steigen
der Zentrifugalkraft auf einem Niveau gehalten werden
kann, der demjenigen bei langsamer Fahrt entspricht.
Das Fahrwerk muß dabei nach wie vor die Seitenkräfte
aufnehmen. Diese werden jedoch durch eine Begrenzung
der Fahrzeugmassen in Grenzen gehalten.
Ein herkömmliches Wagenkasten-Neigungssystem gemäß dem
Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ist beispielsweise in
der Zeitschrift "Eisenbahnkurier", Ausgabe 7/90 auf den
Seiten 46 ff. beschrieben. Das Prinzip dieses Wagenka
sten-Neigungssystems besteht darin, einen Wagenkasten
zu beiden Seiten der Waggon-Längsachse über eine Kol
ben-Zylinderanordnung auf einem jochartigen Koppelteil
abzustützen, das seinerseits über zwei schräg von oben
nach unten verlaufende Koppelglieder am Drehgestell an
gelenkt ist. Die Ausrichtung des Wagenkasten in seit
licher Richtung erfolgt durch ein Paar quer zur
Fahrtrichtung angeordneter weiterer Kolben-Zylinderan
ordnungen, die auf diese Weise stabilisierend wirken.
Mit diesem Wagenkasten-Neigungssystem läßt sich zwar
der mechanisch fixierte Drehpunkt der Wagenkasten-Nei
gung gut kontrollieren. Dies geht jedoch in erheblichem
Maße zu Lasten des im Waggon zur Verfügung stehenden
Fahrgastraums.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein
Wagenkasten-Neigungssystem der eingangs beschriebenen
Art zu schaffen, dessen Aufbau die Platzverhältnisse im
Waggon-Inneren so wenig wie möglich beeinträchtigt.
Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil
des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Erfindungsgemäß wird die beim Stand der Technik vorhan
dene Sekundär-Anlenkung durch Hydraulik-Zylinder-Kol
benanordnungen ersetzt. Der Wagenkasten wird auf diese
Weise zur Koppel eines Viergelenk-Getriebes, wobei das
Getriebegestell vom Drehgestell und die Kurbel und die
Schwinge jeweils von einer Kolben-Zylinderanordnung ge
bildet wird, die nachstehend der Einfachheit halber als
Hydrozylinder bezeichnet wird. In Längs- bzw.
Fahrtrichtung des Fahrzeugs übernehmen nach wie vor me
chanische Verbindungsglieder, wie z. B. geeignete Len
ker, die Fixierung des Wagenkastens in bezug zum
Drehgestell. Durch Ein- und Ausfahren der
Wagenkastenneigungs-Hydrozylinder verschwenkt die Kop
pel des Viergelenk-Getriebes und damit der Wagenkasten
um eine horizontale Längsachse des Waggons, wobei durch
geeignete Abstimmung der Ausfahr- bzw. Einfahrbewegun
gen der Hydrozylinder in Verbindung mit der Ausfahr-
bzw. Einfahrbewegung des Quer-Hydrozylinders eine Be
einflussung des virtuellen Drehpunkts des Waggons mög
lich ist. Da auf diese Weise sämtliche Betätigungsglie
der für die aktive Wagenkasten-Neigung unterhalb des
eigentlichen Fahrgastraums angeordnet werden können,
bleibt der Fahrgastraum von den Maßnahmen zur aktiven
Beeinflussung der Wagenkasten-Neigung vollkommen unbe
rührt, so daß die eingangs erwähnten Schwierigkeiten,
die sich beim Stand der Technik zeigten, beseitigt
sind.
Durch separate Ansteuerung des Quer-Hydrozylinders ist
dann, wenn die Ansteuerung mit der Ein-/Ausfahrbewegung
der Wagenkastenneigungs-Hydrozylinder verknüpft wird,
ein virtueller Drehpunkt einstellbar und während des
gesamten Neigungsvorgangs stabilisierbar und auch re
gelbar. Dabei ergibt sich durch diese Maßnahmen der zu
sätzliche Vorteil einer eindeutigen geometrischen Fi
xierung des Waggon-Aufbaus in Querrichtung.
Eine besonders einfache und nur geringe Leistung bean
spruchende Steuerung des Wagenkasten-Neigungssystems
ergibt sich dann, wenn die Ansteuerung der die Neigung
des Wagenkastens bestimmenden Hydrozylinder-Anordnungen
mittels eines zentralen Verschiebezylinders erfolgt.
Auf diese Weise kann ein geschlossenes, nur geringe
Leistung erforderndes Hydrauliksystem zur Einstellung
der Wagenkasten-Neigung Anwendung finden. Allerdings
ist diese zentrale Ansteuerung grundsätzlich mit einer
geringen, aber regelmäßigen Abweichung des tatsächli
chen Drehpunkts des Waggons vom idealen Drehpunkt ge
koppelt. Sollte sie dennoch als störend empfunden wer
den, so kann dem zentralen Verschiebe-Hydrozylinder
eine 2/2-Wege-Ventilanordnung zugeordnet werden, mit
der dann eine Beeinflussung der Strömungsmittel-Ver
drängung in Abhängigkeit von der Abweichung des Momen
tan-Drehpunkts vom idealen Drehpunkt erfolgen kann.
Wenn die Bewegungen des zentralen Verschiebezylinders
von einem Anlenkzylinder gesteuert werden, kann in die
sem Fall vorzugsweise eine Beaufschlagung des Anlenkzy
linders über ein Regelventil mit nachgeschaltetem
Sperrventil erfolgten.
Das erfindungsgemäße Konzept des Wagenkasten-Neigungs
systems erlaubt mit einfachen Mitteln die Einbeziehung
der Neigungs-Hydrozylinder in ein Regelsystem.
Das System läßt sich darüber hinaus in vorteilhafter
Weise mit einem mechanisch-hydraulischen Steuerkreis
kombinieren, mit dem bei Ausfall des geregelten Systems
automatisch eine Rückführung des Wagenkastens bzw. Wag
gons in die Mittel- bzw. Neutralstellung erreicht wer
den kann.
Der erfindungsgemäße Aufbau des Wagenkasten-Neigungssy
stems erlaubt es ferner, äußerst platzsparend zusätz
lich ein Feder-Dämpfungssystem vorzusehen.
Nachstehend werden anhand schematischer Zeichnungen
mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläu
tert. Es zeigen:
Fig. 1 einen schematischen Aufriß zur Darstel
lung der Komponenten des Wagenkasten-Nei
gungssystems mit Quer-Hydrozylinder zur
Einstellung des virtuellen Drehpunktes;
Fig. 2 eine der Fig. 1 ähnliche Darstellung zur
Verdeutlichung der Abweichung vom virtu
ellen Drehpunkt bei gleicher, jedoch ge
gensinniger Hubveränderung der Neigungs-
Hydrozylinder; und
Fig. 3 ein Blockschaltbild zur Darstellung der
wesentlichen hydraulischen Komponenten
des Steuerkreises für das Wagenkasten-
Neigungssystem.
In Fig. 1 ist mit dem Bezugszeichen 2 ein Drehgestell
eines Eisenbahnfahrzeugs bezeichnet, das mit Rädern 4
auf nicht näher dargestellten Schienen läuft. Mit dem
Bezugszeichen 6 ist schematisiert der Wagenkasten be
zeichnet, der über eine Hydraulik-Kolben-Zylinderanord
nung in Verbindung mit einer nicht näher dargestellten
Feder-Dämpfungsanordnung auf dem Drehgestell 2 abge
stützt ist.
Auf jeder Seite einer Längs-Mittelebene EL ist zwischen
dem Drehgestell 2 und dem Wagenkasten 6 eine Hydraulik-
Kolben-Zylinderanordnung 8 bzw. 10 vorgesehen, die
nachfolgend kurz als Neigungs-Hydrozylinder bezeichnet
werden sollen. Die Hydrozylinder 8, 10 sind symmetrisch
zur Längs-Mittelebene EL angeordnet.
Jeder Hydrozylinder 8, 10 weist einen unteren Gelenk
punkt 12 zur Ankopplung an das Drehgestell bzw. an
einen drehgestellfesten Punkt eines Feder-Dämpfungssy
stems und einen oberen Gelenkpunkt 14 zur Anlenkung an
den Wagenkasten 6 auf. Es ist jedoch auch möglich, die
Dämpfungs- und Federanordnung in die Hydrozylinder 8,
10 zu integrieren. Auf diese Weise entsteht ein Vierge
lenk-Getriebe mit den Gelenkpunkten 12 als Gestell bzw.
als gestellfeste Punkte, mit z. B. dem Hydrozylinder 10
als Kurbel, mit dem Hydrozylinder 8 als Schwinge und
mit dem Wagenkasten 6 als Koppel.
In der Fig. 1 ist der Wagenkasten 6 in horizontaler
Ausrichtung dargestellt, wobei in diesem Fall beide Hy
drozylinder 8, 10 um das gleiche Maß ausgefahren sind
(Mittelstellung der Zylinder).
Die Hydrozylinder 8, 10 sind in einen Hydraulik-Steuer-
oder Regelkreis einbezogen, um eine kurvenge
schwindigkeitsabhängige Neigung der Koppel bzw. des Wa
genkastens 6 einzustellen bzw. zu regeln. Dies soll
nachstehend anhand der Fig. 1 erläutert werden.
Es sei angenommen, daß für eine Kurvenfahrt ein virtu
eller Drehpunkt D2 eingestellt werden soll. In diesem
Fall wird der Hydrozylinder 8 um ein vorbestimmtes Maß
eingefahren, der Hydrozylinder 10 um ein vorbestimmtes
Maß ausgefahren und gleichzeitig eine Verschiebung der
Koppel 6 um das Maß X2 gemäß Fig. 1 nach links vorge
nommen, wodurch die Koppel bzw. der Wagenkasten 6 so
eingestellt wird, als sei er um den virtuellen Dreh
punkt D2 um den Winkel ALPHA verschwenkt worden. Diese
Stellung der Koppel bzw. des Wagenkastens 6 ist durch
strichpunktierte Linien in Fig. 1 gezeigt.
Zur Bewirkung der Verschiebebewegung des Wagenkastens 6
dient ein im wesentlichen horizontal angeordneter, so
genannter Quer-Hydrozylinder 16, der mit seinem Ende 18
am Drehgestell 2 und mit seinem anderen Ende 20 an dem
Wagenkasten 6 angelenkt ist. Der Quer-Hydrozylinder
dient darüber hinaus dazu, den Wagenkasten 6 in bezug
zum Drehgestell 2 in seitlicher Richtung zu fixieren.
Nicht näher dargestellte weitere mechanische Verbin
dungsglieder übernehmen die Fixierung zwischen Wagenka
sten und Drehgestell in Längs- bzw. Fahrtrichtung des
Waggons.
Es liegt auf der Hand, daß durch die Verknüpfung von
Ein- und Ausfahrbewegung der Wagenkastenneigungs-Hydro
zylinder 8, 10 mit der Bewegung des zumindest einen
Quer-Hydrozylinders 16 ein vorbestimmter virtueller
Drehpunkt D2 einstellbar und auch unter Zuhilfenahme
geeigneter Regelmimiken regelbar ist. Durch diese Ab
stimmung, wie sie in idealisierter Form in der Dar
stellung gemäß Fig. 1 erkennbar ist, läßt sich eine
ideale Drehpunktregelung realisieren, bei der die Ein
fahrstrecke des Hydrozylinders 8 regelmäßig ungleich
der Ausfahrstrecke des Hydrozylinders 10 ist.
Eine etwas vereinfachte Form der Neigungsverstellung
soll anhand der Fig. 2 näher erläutert werden. Auch
bei dieser Darstellung sind diejenigen Bauteile, die
den Komponenten der zuvor beschriebenen Ausführungsbei
spiele entsprechen, wiederum mit identischen Bezugszei
chen gekennzeichnet. Der Einfachheit halber ist in die
ser Darstellung der Hydro-Querzylinder 16 nicht näher
dargestellt.
Man erkennt aus der Darstellung gemäß Fig. 2, daß bei
dieser Art der Neigungsverstellung der Hub im Bereich
des Neigungs-Hydrozylinders 8 genauso groß gehalten
ist, allerdings mit negativem Vorzeichen, wie der Hub
im Bereich des Neigungs-Hydrozylinders 10. Mit den
Kreisbögen K8 bzw. K10 ist angedeutet, auf welchen
Ortskurven die Gelenke 14 der Getriebelenker des Vier
gelenk-Getriebes quer bewegt werden, um mit dem Punkt D
die Längs-Mittelebene EL einzuhalten.
Diese geometrischen Randbedingungen führen dazu, daß
sich mit einer derartigen symmetrischen Ansteuerung der
beiden Neigungs-Hydrozylinder 8, 10 eine geringfügige
Absenkung des Koppelpunkts im Bereich des Drehpunkts D
einstellen wird, was allerdings dadurch kompensiert
werden kann, daß von außen, d. h. extern, eine gezielte
Beeinflussung der Strömungsmittelzufuhr bzw. des
Strömungsmittelablaufs aus den Arbeitskammern der Hy
drozylinder 8 bzw. 10 vorgenommen wird, was beispiels
weise durch eine geeignete Ventilanordnung unter Ver
wendung von 2/2-Wege-Sitzventilen bewerkstelligt werden
kann. Mit einem in Fig. 2 nicht näher dargestellten
Quer-Hydrozylinder erfolgt wiederum die Einstellung des
Drehpunktes über die Querbewegungen des Viergelenk-Ge
triebes.
Nachstehend wird anhand der Fig. 3 eine Ausführungs
form der hydraulischen Verschaltung des vorstehend be
schriebenen Wagenkasten-Neigungssystems näher erläu
tert. Hierbei sind wiederum diejenigen Bauteile, die
vorstehend bereits beschrieben worden sind, mit identi
schen Bezugszeichen bezeichnet.
Man erkennt in Fig. 3 die beiden Neigungs-Hydrozylin
deranordnungen 8, 10, denen jeweils eine Strömungsmit
tel-Versorgungsleitung 30, 32 zugeordnet ist. Diese
Leitung führt jeweils über ein entsperrbares Rück
schlagventil 34, 36 und mündet in eine der Kammern 38
bzw. 40 eines zentralen Verschiebezylinders 42, der
über einen Anlenkzylinder 44 angesteuert ist. Über den
Anlenkzylinder 44 erfolgt eine geregelte Ansteuerung
des Verschiebezylinders 42 derart, daß eine den jewei
ligen Waggonverstellgeschwindigkeiten entsprechende
Verschiebegeschwindigkeit der Hydrozylinder 8, 10 im Be
reich des Verschiebezylinders 42 eingestellt wird. Zu
diesem Zweck ist der Anlenkzylinder 44 mit einem Weg
aufnahmesystem 46 ausgestattet, wobei die Ansteuerung
des Anlenkzylinders 44 über eine nicht näher zu be
schreibende Steuerschaltung 48 erfolgt. Zur Ansteuerung
des Quer-Hydrozylinders 94 ist zu bemerken, daß vor
zugsweise eine Abstimmung der Strömungsmittelmenge auf
die Regelung bzw. Steuerung der Strömungsmittelversor
gung für die Neigungs-Hydrozylinder 8, 10 stattfindet.
Zu diesem Zweck ist der Quer-Hydrozylinder 94 mit einem
Wegaufnahmesystem 92 ausgestattet, wobei die Ansteue
rung des Quer-Hydrozylinders 94 über eine nicht näher
zu beschreibende Steuerschaltung 96 erfolgt.
Wie vorstehend anhand der Fig. 2 erläutert, ergibt
sich bei gleichen Aus- und Einfahrwegen im Bereich der
Neigungshydrozylinder 8, 10 eine geringfügige Verlage
rung des Koppelpunktes aus der Mitten-Horizontalebene.
Um diese möglicherweise unerwünschte und vom Passagier
des Waggons wahrnehmbare Vertikalverschiebung zu kom
pensieren, ist jedem Leitungszweig 30, 32 ein mit 50
bzw. 52 bezeichnetes 2/2-Wege-Sitzventil mit Stromrege
lung zugeordnet, wodurch durch vorzugsweise elektrische
Ansteuerung des 2/2-Wege-Sitzventils eine Korrektur der
Strömungsmittel-Verdrängung im Hinblick auf eine Ein
haltung des Koppelpunkts in der zuvor eingenommenen Ho
rizontalebene erfolgt.
Aus Fig. 3 ist ferner erkennbar, daß jeder Neigungs-
Hydrozylinder 8, 10 mit einem Feder-Dämpfungssystem
ausgestattet ist. Das Feder-Dämpfungssystem ist mit den
Bezugszeichen 54 bzw. 56 bezeichnet, wobei aus Gründen
der Vereinfachung der Darstellung mit strichpunktierten
Linien lediglich das Dämpfungssystem 54 angedeutet ist,
das dem Neigungs-Hydrozylinder 8 zugewiesen ist. Derar
tige Dämpfungssysteme sind an sich bekannt, so daß hier
auf eine detaillierte Beschreibung der Einzelkom
ponenten verzichtet werden kann.
Um eine Lageregelung im Bereich der Neigungs-Hydrozy
linder 8, 10 vornehmen zu können, ist nicht nur dem
Dämpfungszylinder 22, sondern auch den einzelnen Nei
gungs-Hydrozylindern 8, 10 jeweils ein Wegaufnehmer 58,
60 zugewiesen, der signalmäßig mit dem Regelkreis für
das Wagenkasten-Neigungssystem gekoppelt ist.
Mit dem Bezugszeichen 62 ist schließlich noch eine Bau
gruppe bezeichnet, mit der bei Ausfall des geregelten
Wagenkasten-Neigungssystems sichergestellt werden kann,
daß mittels einer mechanisch-hydraulischen Ansteuerung
der Wagenkasten in die neutrale bzw. horizontale Mit
telstellung zurückgeführt werden kann. Diese Baugruppe
62 weist ein 4/2-Wegeventil 64, ein nachgeschaltetes
4/3-Wegeventil 66 und jeweils einen Stromregler 68 bzw.
70 im Druckzulauf P bzw. auf Tankseite T auf. Das 4/3-
Wegeventil 66 wirkt mit einem Anschlag in Form einer
Kolben-Zylinderanordnung 72 zusammen, deren Gehäuse in
einer mit 74 bezeichneten Kulisse geführt ist, wobei
die Kulisse 74 in Abhängigkeit von der Neigung des Wa
genkastens relativ zur Kolben-Zylinderanordnung 72 ver
schoben wird. Hierdurch ergibt sich folgende Wirkungs
weise:
Bei Ausfall der Regelung schaltet das Ventil 64 in die
in Fig. 3 nicht dargestellte Schaltstellung durch, wo
durch der Anschluß P mit dem Anschluß A verbunden wird.
Hierdurch wird die Steuerseite 76 des Kolbenschiebers
des 4/3-Wegeventils 66 mit Druck beaufschlagt und kann
in Abhängigkeit von der Stellung eines Kolbens 78 der
Kolben-Zylinderanordnung 72 derart verschoben werden,
daß der Wagenkasten die Neutralstellung einnimmt. Dabei
ist zu berücksichtigen, daß bei Durchschalten des Ven
tils 64 gleichzeitig der Arbeitsraum der Kolben-Zylin
deranordnung 72 mit Druckmittel versorgt wird und ein
Ausfahren des Kolbens 78 erfolgt. Je nachdem, in wel
chem Bereich der Kulisse 74 sich die Kolben-Zylinderan
ordnung 72 bewegt, wird der Anschlagpunkt des Kolbens
78 ebenfalls entsprechend der Form der Kulisse 74 mit
verschoben, wodurch die Schaltstellungen des 4/3-Wege
ventils 66 dem jeweiligen Neigungs-Zustand des Wagenka
stens angepaßt werden. Diese mit dem Bezugszeichen 62
bzeichnete und bezeichnete Baugruppe ist in ähnlicher
Ausführung auch für den Quer-Hydrozylinder 92 bei Aus
fall des geregelten Wagenkasten-Neigungssystems anwend
bar.
Selbstverständlich ist das vorstehend beschriebene ak
tive Wagenkasten-Neigungssystem nicht auf das konkrete
vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt.
So ist es beispielsweise möglich, im Bereich der Nei
gungs-Hydrozylinder 8, 10 auch mit ungeregelten Dämp
fungsanordnungen zu arbeiten. Im übrigen vorstehend be
schriebene mechanisch-hydraulische Notkonzept auch auf
andere Weise zu verwirklichen, beispielsweise dadurch,
daß der zentrale Verschiebezylinder 42 anderweitig
überbrückt wird und für einen Strömungsmittelausgleich
zwischen den Neigungs-Hydrozylindern 8, 10 gesorgt
wird. Gleichwohl ist zu betonen, daß die Baugruppe 62
insofern eine besonders vereinfachte Realisierung der
Rückführung des Wagenkastens ermöglicht, als das 4/3-
Wegeventil 66 im Zusammenwirken mit den Strömungsventi
len 80, 82 dazu herangezogen wird, den Strömungsmittel
ausgleich in möglichst kurzer Zeit zu bewerkstelligen.
Schließlich können auch andere Strömungsmittel einge
setzt werden.
Die Erfindung schafft somit ein aktives Wagenkasten-
Neigungssystem, wie es insbesondere für schienengebun
dene Fahrzeuge Anwendung finden kann. Das System ist
mit einer Kolben-Zylinderanordnung zu beiden Seiten der
Wagenkasten-Längsachse ausgestattet, über die die Nei
gung des Wagenkastens bezüglich eines Fahrwerks bzw.
Drehgestells gezielt steuerbar ist. Die Abstützung des
Wagenkastens am Fahrgestell erfolgt über im wesentli
chen vertikal angeordnete Lenker, die gemäß dem Wesen
der Erfindung von angesteuerten Hydro-Zylinderanordnun
gen gebildet sind. Auf diese Weise gelingt es, die Nei
gung des Wagenkastens gezielt beispielsweise kurvenge
schwindigkeitsabhängig zu steuern bzw. zu regeln und
dadurch einen wählbaren, virtuellen Drehpunkt einzu
stellen, ohne dabei den Nachteil in Kauf zu nehmen, daß
die Platzaufteilung im Inneren des Wagenkastens in ir
gendeiner Weise beeinträchtigt wird.