DE4304959C1 - Schienenfahrzeug mit angetriebenen und/oder gebremsten Einzelrädern - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Schienenfahrzeug mit einzeln aufgehängten, angetriebenen und/oder gebremsten Rädern, die jeweils um eine Schwenkachse lenkbar sind.

Durch EP 0 135 877 B sind bei einem Schienenfahrzeug einzeln aufgehängte, lenkbare Räder bekannt. Zwischen dem Berührpunkt des jeweiligen Rades mit der Schiene und der Schwenkachse, um die das Rad lenkbar ist, kann ein Querab­ stand bestehen (siehe Fig. 2 der EP 0 135 877 B), der als Lenkrollhalbmesser bezeichnet wird. Die in Fahrzeugquer­ richtung gegenüberliegenden Einzelräder sind in ihrer Schwenkbewegung miteinander gekoppelt, üblicherweise durch eine Spurstange. Die Räder sollen bei Kurvenfahrt allein durch ihren Anlauf an der gebogenen Schiene gelenkt werden; es handelt sich um sog. selbstregelnde Einzelräder.

Wenn solche Einzelräder angetrieben oder gebremst werden, entstehen Umfangskräfte am Rad und daraus Längskräfte zwischen Rad und Schiene. Um aus diesen Längskräften und dem vorgenannten Lenkrollhalbmesser resultierende unerwünschte Lenkmoment nicht wirksam werden zu lassen, sind gemäß DE 31 11 087 A1 die Räder jeweils mit einem Schwenkantrieb verbunden, der entsprechend der am zugehörigen Rad jeweils angreifenden Antriebs- bzw. Bremskraft auf dieses Rad in entgegengesetztem Schwenksinne einwirkt. Für Einzelräder, die ein Untersetzungsgetriebe in ihrer Radschüssel aufwei­ sen, ist durch DE 35 41 732 C3 eine mechanisch arbeitende Einrichtung zum Ausschalten der besagten unerwünschten Lenkmomente um die Radschwenkachse bekannt, bei der das kompensierende Wendemoment aus dem Stützmoment des Unter­ setzungsgetriebes, das dem Antriebs- bzw. Bremsmoment direkt proportional ist, abgeleitet und über Hebel auf ein Lenkge­ stänge übertragen wird.

Derartige Einzelräder können entgleisungssicher betrieben werden. Ein Problem liegt jedoch in einem dezentralen Laufverhalten des Einzelradpaares im Spurkanal, der sich im Rahmen des Spurspiels ergibt. Dezentraler Lauf bedeutet, daß der Spurkranz eines der beiden einer Fahrzeugquerebene zugeordneten Räder in Kontakt mit der Schiene bleibt. Dadurch entsteht ein relativ hoher Verschleiß im Übergangs­ bereich der Radlauffläche in den Spurkranz, wobei gerade dieser Übergangsbereich für das Erzeugen der selbstlenkenden Kräfte wichtig ist. Es hat sich gezeigt, daß die Tendenz zum dezentralen Lauf durch Antriebskräfte größer wird. Bei auftretenden Bremskräften ergibt sich das Gegenteil zum dezentralen Lauf: Die Einzelräder pendeln im Spurkanal von links nach rechts. Dabei entstehen harte Stöße, die im Wagenkasten deutlich spürbar sind.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Schienenfahrzeug der gattungsgemäßen Art insbesondere so zu gestalten, daß ein im Hinblick auf geringen Verschleiß am Rad und hohen Fahrkomfort einwandfreies Laufverhalten erreicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Schwenkachse des Rades durch die als Hilfskraft wirkende Momenten­ stützkraft einer Antriebs- und/oder Bremseinheit aus ihrer für das frei abrollende Rad eingestellten Lage bei Antriebs­ kräften in eine Vorlaufstellung und bei Bremskräften in Richtung auf eine nachlaufende Stellung geneigt wird. Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Bei der in Vorlaufstellung geneigten Schwenkachse und mithin nach vorne gekipptem Rad liegt der Radaufstandspunkt in Fahrtrichtung vor dem Durchstoßpunkt der geneigten, gedank­ lich nach unten verlängerten Schwenkachse durch die Radauf­ standsebene. In der nachlaufenden Stellung befindet sich umgekehrt der Radaufstandspunkt in Fahrtrichtung hinter dem vorgenannten Durchstoßpunkt. Die für das einwandfreie Laufverhalten eines Einzelradpaares günstigen Stellungen nach der Erfindung sind eigentlich widernatürlich: Ein angetriebenes Rad will beim Anfahren dem noch ruhenden Aufbau grundsätzlich voraneilen, d. h., eine oberhalb der Radaufstandsebene am Fahrwerksrahmen angelenkte, in einer Fahrzeuglängsebene kippbare Radschwenkachse würde sich oben entgegen der Fahrtrichtung neigen, also Nachlaufstellung für das Rad erzeugen. Erfindungsgemäß wird die Schwenkachse aber bei Antriebskräften nach vorne gekippt. Ein gebremstes Rad will an sich gegenüber dem Aufbau zurückbleiben, letztlich also eine Vorlaufstellung einnehmen. Erfindungsgemäß wird die Schwenkachse jedoch in Richtung auf die Nachlaufstellung gekippt.

Im weiteren werden die Erfindung und deren in den Unteran­ sprüchen angegebenen Ausgestaltungen anhand der Zeichnungen näher beschrieben.

Die Fig. 1A und 1B dienen der einführenden Erläuterung einer Radanordnung mit vollständiger Kompensation von Lenkmomenten und Kippmomenten.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind jeweils schematisch in Fig. 2, 3A bis 3C, 4A und 4B sowie 5A bis 5C dargestellt. Dabei werden Lenkmomente ebenfalls vollständig kompensiert, Kippmomente jedoch überkompensiert, was zu in Fahrzeug­ längsrichtung geneigten Schwenkachsstellungen führt.

Fig. 1A ist ein Vertikalschnitt durch die in Fig. 1B in der Draufsicht gezeigte Radanordnung. Am Fahrwerksrahmen 13 ist eine gabelförmige Schwenkachsbrücke 10 über ein Kipplager 11 in Fahrzeuglängsrichtung schwenkbar befestigt. Die Schwenk­ achsbrücke 10 nimmt einen Radträger 4 in einem oberen Schwenklager 8 und einem unteren Schwenklager 9 auf, so daß der Radträger 4 Bewegungen um die Schwenkachse 7 ausführen kann. Das Rad 1 ist unter Einsatz von Radlagern 3 drehbar mit dem Radträger 4 verbunden. Innerhalb des Radträgers 4 befindet sich eine Antriebs-/Bremseinheit 5. Zwischen dieser Einheit 5 und der Radachse 2 sind Schwimmlager 6 vorgesehen, die den Stator der Antriebs- und/oder Bremseinheit 5 tragen, ohne jedoch dessen zu den Antriebs- und/oder Bremsmomenten zugehörigen Reaktionsmomente aufzunehmen. Hierfür ist eine gesonderte Momentenstütze 12 vorgesehen, die die Antriebs-/ Bremseinheit 5 gegenüber dem weder Lenkbewegungen noch Kippbewegungen ausführenden Fahrwerksrahmen 13 abstützt. Der Angriffspunkt der Momentenstütze 12 an der Antriebs-/ Bremseinheit 5 liegt auf der gestrichelten Linie, die vom Aufstandspunkt A des Rades 1 auf der Schiene ausgeht und durch den Schnittpunkt der Radachse 2 mit der Schwenkachse 7 verläuft.

Wie aus Fig. 1A weiter ersichtlich, liegt die Mitte des Kipplagers 11 in einer Höhe h über der Schienenoberkante, wobei h gleich dem Radradius R (Mitte der Radachse 2) ist. Zwischen der Radachse 2 und der Momentenstütze 12 besteht der Kompensationsradius RK, der genauso groß ist wie der Kippmomenten-Kompensationsradius H zwischen der Mitte des Kipplagers 11 und der Momentenstütze 12. Mit rL ist der Lenkrollhalbmesser zwischen Radaufstandspunkt A und der senkrechten Schwenkachse 7 bezeichnet. Bei rK handelt es sich um den Kompensationsradius der Momentenstütze 12 zur Schwenkachse 7 hin. Unter den vorbeschriebenen Verhältnissen werden alle Momente um die Schwenkachse 7 sowie alle Momente um das Kipplager 11, die jeweils insbesondere beim Antreiben und Bremsen des Rades 1 entstehen, vollständig kompensiert. Das Rad 1 bleibt also ohne Lenkbewegungen in seiner für die Geradeausfahrt gezeigten Position, und auch die Schwenkachse 7 des Rades 1 bleibt ohne Kippbewegungen in Fahrzeuglängs­ richtung in ihrer beispielsweise senkrechten Stellung.

Nach der Erfindung sind jedoch derartige Kippbewegungen gewünscht. Sie werden gemäß Fig. 2 dadurch erzeugt, daß die mittige Höhe h des Kipplagers 11 über der Schienenoberkante kleiner ist als der Radradius R, wobei umgekehrt der Kom­ pensationsradius H für die Kippmomente größer ist als der Kompensationsradius RK zur Radachse 2. Alle Lenkmomente um die Schwenkachse 7 werden voll kompensiert, es gibt also keine ungewollten Lenkbewegungen. Die Kippmomente um das Kipplager 11 werden aufgrund der geometrischen Verhältnisse überkompensiert, d. h., die gabelförmige Schwenkachsbrücke 10 und damit die Schwenkachse 7 kippen in Fahrzeuglängs­ richtung in eine geneigte Stellung. Im übrigen ist in Fig. 2 die von Fig. 1A abweichende Möglichkeit dargestellt, die Radlager 3 auf der Radachse 2 und das Schwimmlager 6 zwi­ schen der Antriebs-/Bremseinheit 5 und dem Radträger 4 anzuordnen. Bei einer solchen Anordnung ergeben sich aus der Drehbewegung des Rades 1 keine Bewegungen im Schwimmlager 6, welches nur bei Lenk- und Kippbewegungen die erforderliche Freiheit für die Antriebs- und/oder Bremseinheit 5 ermög­ licht. Die Momentenstütze 12 verläuft schräg zur Fahrzeug­ längsrichtung, um auch größere Lenkbewegungen des Rades 1 zu ermöglichen.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 3A bis 3C ist der Radträger 4 um die Schwenkachse 7 drehbar mit dem direkt am Fahr­ werksrahmen 13 befestigten unteren Schwenklager 9 - hier zugleich Kipplager 11 - und mit dem am Fahrwerksrahmen 13 gleitend abgestützten oberen Schwenklager 8 verbunden. Aus einem Antriebsmoment MA entsteht die Antriebskraft FA zwischen Rad 1 und Schiene (siehe Fig. 3C). Das entgegenge­ richtete Reaktionsmoment MK an der Antriebs-/Bremseinheit 5 wird durch Kompensationskraft FK in der Momentenstütze 12 und im Fahrwerksrahmen 13 abgefangen. Am unteren Schwenkla­ ger 9/Kipplager 11 wirken die horizontale Kraft FLA und die vertikale Kraft FLG. Die Schwenkachse 7 des Rades 1 neigt sich um den Vorlaufwinkel α in Fahrtrichtung, da das Kipp­ moment um das Kipplager 11 aus der Kompensationskraft FK mit dem Hebelarm H (Kippmomentenkompensationsradius) größer ist als das Kippmoment aus der kleineren Antriebskraft FA mit dem kleineren Hebelarm h (Höhe des Kipplagers 11 über Schienenoberkante). In dieser Vorlaufstellung liegt der Radaufstandspunkt A vor dem Durchstoßpunkt B der verlän­ gerten Schwenkachse 7 durch die Radaufstandsebene. Der auch in diesem Beispiel bezüglich der Kippmomente um das untere Lager 9/11 überkompensierten Stellung des Rades 1 wirkt das Moment aus der Radaufstandskraft FG begrenzend entgegen, und zwar wegen der festen Verbindung des unteren Schwenklagers 9/11 mit dem Fahrwerksrahmen 13. Dadurch ist eine selbsttä­ tige Stabilisierung geschaffen. Zusätzlich können in Fig. 3C nicht dargestellte Federn oder Federpakete, die auf der linken und rechten Seite des oberen Schwenklagers 8 ange­ ordnet werden, als elastische Anschläge gegenüber Kippbewe­ gungen dienen. Solche Federn oder Federpakete müßten alle Gegenkräfte aufbringen, falls das Schwenklager 9/11 oben und das Gleitbewegungen aus führende Schwenklager 8 unten ange­ ordnet wäre.

Für das frei abrollende, also nicht angetriebene Rad 1 empfiehlt es sich, die Schwenkachse 7 leicht vorlaufend einzustellen, beispielsweise unter einem Winkel, der halb so groß ist wie der Vorlaufwinkel α in Fig. 3C bei maximalen Antriebskräften. Ein Bremsvorgang führt zu umgekehrten Kräften und Momenten, d. h., die Schwenkachse 7 neigt sich aus ihrer für das frei abrollende Rad 1 leicht vor laufenden Position in die senkrechte Stellung bis hin in eine nach­ laufende Stellung. In Nachlaufstellung liegt der Radauf­ standspunkt A in Fahrtrichtung gesehen hinter dem Durch­ stoßpunkt B. Bei einem Fahrzeug, das in zwei Fahrtrichtungen verkehrt, wird die leicht vorlaufende Stellung des frei abrollenden Rades 1 der Fahrtrichtung entsprechend einge­ stellt, z. B. durch ein motorisches Steuergerät.

In der Ausführung nach Fig. 4A und 4B ist die mit den Schwenklagern 8 und 9 versehene Schwenkachsbrücke 10 Bestandteil einer Achsbrücke 15, durch die spiegelbildlich zur Fahrzeuglängsachse 18 gegenüberliegende Räder 1 verbun­ den werden. Diese Räder sind im übrigen durch eine nicht dargestellte Spurstange in ihren Lenkbewegungen gekoppelt. Ein Achsbrückenlenker 16 erstreckt sich zwischen dem Fahr­ werksrahmen 13 und der Achsbrücke 15, an der sich in diesem Fall das Kipplager 11 befindet. Die hier außerhalb des Rades 1 angebrachte Antriebs-/Getriebeeinheit 5 ist wiederum durch die Momentenstütze 12 mit dem Fahrwerksrahmen 13 verbunden. Bei Antriebs- oder Bremskräften kippt die gesamte Achsbrücke mit ihren Schwenkachsen 7 für die beiden gekoppelten Räder 1 in Fahrzeuglängsrichtung. Bezüglich der durch diese Nei­ gungen erreichten Vorlaufstellungen bzw. Nachlaufstellungen gelten die Ausführungen im Zusammenhang mit Fig. 3A bis 3C entsprechend. Zwischen der Achsbrücke 15 und dem Fahrwerks­ rahmen 13 angeordnete Primärfedern 14 wirken - außer ihrer eigentlichen Funktion, die nichtabgefederte Masse des Fahrwerks möglichst gering zu halten - den Kippbewegungen der Achsbrücke 15 begrenzend entgegen. Dabei sind die Steifigkeit der Primärfedern 14 und vor allem ihr Abstand zueinander (siehe Fig. 4B) bestimmend für die Größe der Gegenkräfte zu den Kippbewegungen der Achsbrücke 15.

Bei dem Fahrwerk gemäß Fig. 5A bis 5C kommt als Antriebs-/ Bremseinheit 5 ein getriebeloser Radnabenmotor zum Einsatz, der zusammen mit dem Rad 1 um die Radachse 2 rotiert. Die Radachse 2 Ist über die Schwimmlager 6 im hier zweiteiligen Radträger 4 gelagert. Zwischen den beiden Teilen des Rad­ trägers 4 befindet sich die in Fig. 5C gezeigte Primärfede­ rung 14. Der Radträger 4 wird über ein auch Momente aufneh­ mendes Wälzlager 8/9 in der Schwenkachsbrücke 10 drehbar aufgenommen, so daß das Rad 1 um die Schwenkachse 7 lenken kann. Wie im zuvor erläuterten Beispiel, gehört die Schwenkachsbrücke 10 zu der mit dem gegenüberliegenden Rad 1 verbundenen Achsbrücke 15.

Die komplette Achsbrücke 15 ist um das Kipplager 11 parallel zur Fahrzeuglängsachse 18 neigbar, wobei das Kipplager 11 am Fahrwerksrahmen 13 gehalten ist, der die Radanordnung U-förmig umgreift. Um die den Antriebs- oder Bremskräften proportionalen Neigungen in die besagten Vorlauf- bzw. Nachlaufstellungen zu erzielen, ist die Momentenstütze 12 drehsteif mit der Radachse 2 verbunden (Fig. 5A), die ja im Radträger 4 schwimmend gelagert ist, und durch eine Öffnung im Radträger 4 zum Fahrwerksrahmen 13 hin verlängert, der dafür den aus Fig. 5B und 5C ersichtlichen Trägerarm auf­ weist. Außerdem ist der Fahrwerksrahmen 13 mit Sekundärfe­ dern 17 für einen nicht dargestellten Fahrzeugaufbau ausge­ stattet.

Claims (12)

1. Schienenfahrzeug mit einzeln aufgehängten, angetriebenen und/oder gebremsten Rädern (1), die jeweils um eine Schwenk­ achse (7) lenkbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwenkachse (7) des Rades (1) durch die als Hilfskraft wirkende Momentstützkraft einer Antriebs- und/oder Bremseinheit (5) aus ihrer für das frei abrollende Rad (1) eingestellten Lage bei Antriebskräften in eine Vorlaufstellung und bei Bremskräften in Richtung auf eine nachlaufende Stellung geneigt wird.

2. Schienenfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Schwenkachse (7) bei frei abrollendem Rad (1) eine senkrechte Stellung oder eine vor laufende Stellung aufweist, die kleiner ist als die Vorlaufstellung bei Antriebskräften.

3. Schienenfahrzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Schwenkachse (7) aus ihrer für das frei abrol­ lende Rad (1) eingestellten, leicht vorlaufenden oder senkrechten Stellung bei Bremskräften in eine Stellung geringeren Vorlaufes oder in die senkrechte Stellung bzw. in eine nachlauf ende Stellung gelangt.

4. Schienenfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zum Verändern der Lage der Schwenkachse (7) des Rades (1) genutzte Momentenstützkraft der Antriebs- und/oder Bremseinheit (5) gleichzeitig zur Lenkmomentenkompensation genutzt wird.

5. Schienenfahrzeug nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß zwischen der Antriebs- und/oder Bremseinheit (5) und einem weder Lenkbewegungen um die Schwenkachse (7) noch Neigebewegungen in Fahrzeuglängsrichtung ausführenden Fahrwerksrahmen (13) eine Momentenstütze (12) angeordnet ist.

6. Schienenfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwenkachse (7) des Rades (1) an einer in Fahrzeuglängsrichtung gegenüber dem Fahr­ werksrahmen (13) neigbaren Schwenkachsbrücke (10) gehalten ist.

7. Schienenfahrzeug nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwenkachse (7) des Rades (1) zwei Lagerstellen zugeordnet ist, von denen die eine für ihre Funktion als Schwenklager (9) und Kipplager (11) in Fahrzeuglängs- und Fahrzeugquerrichtung und die andere Lagerstelle für ihre Funktion als Schwenklager (8) nur in Fahrzeugquerrichtung gegenüber dem Fahrwerksrahmen (13) fixiert ist.

8. Schienenfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwenkachsen (7) der beiden einer Fahrzeugquerebene zugeordneten Räder (1) in ihren Kippbewegungen gekoppelt sind.

9. Schienenfahrzeug nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich­ net, daß die Räder (1) durch eine mit den Schwenkachsen (7) kippende Achsbrücke (15) verbunden sind.

10. Schienenfahrzeug nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich­ net, daß zwischen der Achsbrücke (15) und dem Fahrwerksrah­ men (13) Primärfedern (14) vorgesehen sind.

11. Schienenfahrzeug nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich­ net, daß die Primärfedern (14) den Kippbewegungen der Achsbrücke (15) begrenzend entgegenwirken.

12. Schienenfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Lage der Schwenkachse (7) für das frei abrollende Rad (1) in Abhängigkeit von der Fahrtrichtung eingestellt wird.