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Diese Erfindung betrifft allgemein
Schienenfahrzeuge mit einem Aufbau und einem Paar von Drehgestellen,
von denen jedes mit dem Aufbau so verbunden ist, dass sich das Drehgestell
um eine vertikale Achse frei drehen kann.
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Im Besonderen betrifft die Erfindung
eine Anti-Pendelvorrichtung für
die oben erwähnten
Schienenfahrzeuge, wie sie im Oberbegriff von Anspruch 1 festgelegt
ist.
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Anti-Pendelvorrichtungen führen zwei
Aufgaben aus: sie verbessern- die Querstabilität von Drehgestellen während einer
geradlinigen Bewegung des Fahrzeugs und sie verbessern die Einfahrt
der Drehgestelle in eine Kurve.
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Herkömmlich bestanden die länglichen
Elemente einer Anti-Pendelvorrichtung aus dissipativen Dämpfern,
typisch aus hydraulischen Dämpfern.
Im Betrieb werden diese Dämpfer
relativ rasch schlecht, so dass ihre richtige Arbeitsweise nach
einem ziemlich kurzen Wartungsintervall beeinträchtigt ist. Zusätzlich bleiben
ihre Dämpfungseigenschaften
auch unter optimalen Betriebsbedingungen konstant gleich, wenn sich
die Zustände ändern, die
eine seitliche Instabilität
des Drehgestells bestimmen, d. h. dann, wenn sich die Betriebsart
der Drehgestellräder bei
der Einfahrt in eine Kurve ändert.
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Aus diesen Gründen sind herkömmliche
Anti-Pendelvorrichtungen weit davon entfernt, betriebssicher zu
sein, wobei sie es auch nicht ermöglichen, dass die erforderliche
Laufsicherheit des Fahrzeugs in allen Zuständen gegeben ist. Wegen der
Leichtigkeit, mit der die oben erwähnten bekannten Vorrichtungen
zu einer Verschlechterung neigen, sowie als direkte Konsequenz ihrer
funktionalen Untauglichkeit, führen
zusätzlich
jene horizontalen Kräfte,
die zwischen den Rädern
des Drehgestells und den Schienen des Gleiskörpers übertragen werden, zu schwe ren
Abnützungsproblemen.
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Die oben erwähnten Probleme sind besonders
bei Hochgeschwindigkeits-Schienenfahrzeugen und/oder bei der Einfahrt
des Fahrzeugs in eine Kurve mit einer hohen Querbeschleunigung kritisch,
die nicht durch eine Überhöhung der äußeren Schiene des
Gleiskörpers
ausgeglichen wird.
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Eine Anti-Pendelvorrichtung, wie
sie eingangs festgelegt wurde, ist in G8-A-2 067 962 geoffenbart.
Diese Vorrichtung gemäß dem Stand
der Technik weist für
jedes Drehgestell zwei einziehbare und ausfahrbare längliche
Hydraulikelemente auf, im Besonderen einfachwirkende Hydraulikzylinder.
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DE-U-29621247 offenbart ein Stellglied,
das eine Stange mit einem Außengewindeteil
und einem Innengewindeteil aufweist, die von einem Elektromotor
angetrieben wird und dazu dient, um die -Neigung des Aufbaus eines
Eisenbahnwaggons während
der Fahrt in Kurven zu steuern.
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Ziel der vorliegenden Erfindung ist
es, eine verbesserte Anti-Pendelvorrichtung
zu liefern, wie sie eingangs erwähnt
wurde.
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Erfindungsgemäß wird dieses Ziel mit einer Anti-Pendelvorrichtung
gemäß Anspruch
1 erreicht.
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Die länglichen Elemente der Anti-Pendelvorrichtung
gemäß der Erfindung
werden von Dämpfern gebildet,
die in der Pendelebene des Drehgestells in Betrieb gesetzt werden.
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Gemäß der bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung weist jedes der oben erwähnten länglichen Elemente eine Stange
mit einem Außengewindeteil
und einem Innengewindeteil auf, die von einem Elektromotor in Betrieb
gesetzt wird, sowie eine Einrichtung auf, um den Elektromotor in Übereinstimmung
mit den Fahrzuständen
des Schienenfahrzeugs zu steuern.
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Dadurch kann mit Hilfe der Anti-Pendelvorrichtung
gemäß der Erfindung
eine Anzahl von wesentlichen Vorteilen erreicht werden.
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Erstens gewähren die zwangsweise gesteuerten
länglichen
Elemente eine viel höhere
Betriebssicherheit, als dies bei herkömmlichen Hydraulikdämpfern der
Fall ist, wobei ihre Leistungsfähigkeit im
Betrieb leicht über
die Steuereinrichtung selbst überwacht
werden kann.
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Zweitens kann das Eingreifen der
Anti-Pendelvorrichtung, deren Dämpfungseigenschaften
auf jeden Fall variabel und in gewissem Maß in Übereinstimmung mit den tatsächlichen
Fahrzuständen
des Fahrzeugs einstellbar sind, wahlweise außer Betrieb gesetzt werden,
wenn die Bedingungen kein Eingreifen der Vorrichtung erfordern.
Beispielsweise ermöglicht
eine Außerbetriebsetzung
der Anti-Pendelvorrichtung gemäß der Erfindung
bei mittleren bis langsamen Geschwindigkeiten, im Gegensatz zu herkömmlichen
Hydraulikdämpfern,
eine Begrenzung der Übertragung
von Vibrationen vom Drehgestell auf den Aufbau sowie die Sicherstellung
einer besseren Einfahrt in eine Kurve, da ein Widerstandsmoment fehlt.
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Ein dritter Vorteil liegt darin,
dass die Anti-Pendelvorrichtung auch in Betrieb gesetzt werden kann,
um die Einfahrt des Drehgestells in eine Kurve dadurch zu verbessern,
dass zwischen dem Aufbau und dem Drehgestell ein Lenkmoment erzeugt
wird, wobei dieses Moment in Übereinstimmung
mit den Fahrzuständen
variabel ist. Dies führt
zu einer beträchtlichen
Herabsetzung jener Horizontalkräfte,
die zwischen den Rädern
und den Schienen in einer Kurve übertragen
werden, und damit zu niedrigeren Gleitzahlen. In der Praxis führt dies
zu einer bemerkenswerten Verbesserung der Fahrsicherheit des Fahrzeugs
nicht nur auf geraden Streckenabschnitten sondern auch in Kur ven.
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Die Anti-Pendelvorrichtung gemäß der Erfindung
zeigt weiters einen relativ einfachen und wirtschaftlichen Aufbau,
der als Alternative zu herkömmlichen
Hydraulikdämpfern
auch bei bereits vorhandenen Fahrzeugen relativ leicht eingesetzt
werden kann.
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Weitere Merkmale und Vorteile der
vorliegenden Erfindung werden aus der nun folgenden ausführlichen
Beschreibung eines nicht einschränkenden
Beispiels sowie im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen
ersichtlich, in denen zeigt:
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1 die
vereinfachte Seitenansicht eines Drehgestells für Schienenfahrzeuge, das mit
einer Anti-Pendelvorrichtung gemäß der Erfindung
ausgestattet ist; und
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2 die
vereinfachte Teil-Untersicht des Drehgestells und der Anti-Pendelvorrichtung
von 1.
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In den Zeichnungen ist mit der Bezugsziffer 1 ein
Drehgestell für
Schienenfahrzeuge als Ganzes bezeichnet, das im Allgemeinen einen
herkömmlichen
Aufbau besitzt. Es ist bekannt, dass ein Schienenfahrzeug, dessen
Aufbau in 2 vereinfacht
mit dem Bezugszeichen C versehen ist, ein Paar von identen Drehgestellen 1 besitzt,
von denen sich eines, in Fahrtrichtung des Fahrzeugs gesehen, vorne und
das andere hinten befindet. Die nun folgende Beschreibung bezieht
sich ident auf beide Drehgestelle.
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Das Drehgestell 1 weist
einen Rahmen 2 mit einer Vorderachse 3 und einer
Hinterachse 4 sowie die entsprechenden Räder 5, 6 auf.
In seiner Mitte kann der Rahmen 2 des Drehgestells 1 mit
dem Aufbau C, normalerweise mit Hilfe eines Querbalkens 7, so
verbunden werden, dass er sich um eine vertikale Achse A frei drehen
kann.
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Das Drehgestell 1 ist weiters
mit primären uns
sekundären
Aufhängungselementen,
die für
sich bekannt sind, sowie mit einer Anti-Pendelvorrichtung versehen,
die den wesentlichen Gegenstand der vorliegenden Erfindung bildet.
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Die Anti-Pendelvorrichtung enthält ein Paar von
länglichen
Elementen 8, 9, über die die gegenüber liegenden
Seiten des Rahmens 2 des Drehgestells 1 mit dem
Aufbau C gelenkig verbunden sind, das heißt mit dem Querbalken 7.
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Die beiden länglichen Elemente 8, 9 besitzen einen
in Längs-
richtung ausfahrbaren und einziehbaren Aufbau, normalerweise einen
Teleskopaufbau, wobei sie, wie 2 zeigt,
zueinander entgegengesetzt ausgerichtet sind.
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Die oben erwähnten länglichen Elemente 8, 9 bestehen
erfindungsgemäß aus aktiven
Dämpfern. Anders
ausgedrückt:
ihr Ausfahren und Einziehen wird in Übereinstimmung mit einer Logik
zwangsweise gesteuert, die später
ausführlich
beschrieben werden soll.
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Jedes längliche Element 8, 9 wird
beim gezeigten Beispiel in der Praxis von einer Stange mit einem
Außengewindeteil
und einem Innengewindeteil gebildet, wobei der Außengewindeteil,
der die Bezugszeichen 8a, 9a trägt, eine
Translationsbewegung besitzt und mit dem Rahmen 2 des Drehgestells verbunden
ist, und wobei der Innengewindeteil, der die Bezugszeichen 8b und 9b trägt, eine
Drehbewegung besitzt und von einem entsprechenden Elektromotor 8c, 9c in
Drehung versetzt wird.
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Bei den Elektromotoren 8c, 9c handelt
es sich am besten um bürstenlose
Asynchronmotoren mit geringem Trägheitsmoment,
die ihren entsprechenden Innengewindeteil über geeignete Untersetzungsgetriebe
ansteuern, die deshalb nicht dargestellt werden, da sie Fachleuten
bekannt sind. Bei den Außengewindeteilen 8a,
9a handelt
es sich am besten um Gewindespindeln mit Kugelmuttern.
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Die Motoren 8c, 9c werden
ihrerseits von einem Steuersystem gesteuert, das in 2 die Bezugsziffer 10 trägt.
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Dieses Steuersystem weist einen Prozessor auf
und kann am besten auch Bauelemente verwenden, die an Bord des Drehgestells 1 oder
auf alle Fälle
an Bord des Schienenfahrzeugs normalerweise bereits zur Verfügung stehen.
Bei Hochgeschwindigkeitszügen
weisen derartige Bauelemente normalerweise zumindest einen Wandler
für die
Querbeschleunigung des Drehgestells, für einen Kreisel sowie für einen
Geschwindigkeitsfühler
auf. Die Signale von diesen Bauelementen werden typisch zum Prozessor übertragen,
der die Motoren 8c, 9c so ansteuert, um die Länge der
Stangen 8, 9 zu verändern, wenn relative Drehungen
zwischen dem Drehgestell 1 und dem Aufbau C um die vertikale
Achse A in der einen oder der entgegengesetzten Richtung auftreten,
so dass das Ausfahren von einer der Stangen 8, 9 durch
ein Einziehen der anderen Stange 9, 8 ausgeglichen
wird.
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Nunmehr soll die Ansteuerlogik beschrieben werden.
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Wenn sich das Fahrzeug geradlinig
bewegt, aktiviert das System 10 dann, wenn das Drehgestell 1 eine
Instabilität
erreicht (Pendelbewegung in der Horizontalebene mit einer Frequenz
von etwa 4–6 Hz)
, über
die Stangen 8, 9 eine periodische Kraft, die typisch
die Pendelfrequenzen der Drehgestelle mit einer Phasenverschiebung
von 90° zur
Erregung und eine Amplitude besitzt, um die kritische Pendelbewegung
auszugleichen oder auf alle Fälle
herabzusetzen.
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Wenn die Wandler (Beschleunigungsmesser),
die auf dem Drehgestell angeordnet sind, keinen instabilen Zustand
anzeigen, hält
das System die Stangen 8, 9 inaktiv. Beispielsweise bleibt
das System bei mittleren und niedrigen Geschwindigkeiten inaktiv,
wodurch im Gegensatz zu herkömmlichen
hydraulischen Anti-Pendelvorrichtungen die Reduktion in der Übertragung
von Vibrationen vom Drehgestell zum Aufbau sowie eine Verbesserung
bei der Einfahrt in Kurven möglich
ist, da ein Widerstandsmoment fehlt.
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Wenn das Schienenfahrzeug durch eine
Kurve fährt,
aktiviert das Steuersystem 10 die Stangen 8, 9 so,
dass zwischen dem Drehgestell und dem Aufbau ein Lenkmoment, das
eine geeignete Amplitude besitzt, in Übereinstimmung mit der Querbeschleunigung
sowie mit dem Krümmungsradius
der Kurve und der Stellung des Drehgestells hinsichtlich der Fahrtrichtung
des Fahrzeugs erzeugt wird.
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Das Lenkmoment ermöglicht sowohl
eine beträchtliche
Verminderung der Gleitkräfte,
das heißt jener
Horizontalkräfte,
die zwischen den Rädern
und den Schienen übertragen
werden, wodurch die Fahrsicherheit verbessert und die Abnützung der
Räder und
der Schienen herabgesetzt wird, als auch das Erreichen von kleineren
Gleitzahlen (das Verhältnis zwischen
den horizontalen Rad/Schienen-Kräften und
den Vertikalkräften).
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Wie aus der obigen Beschreibung ersichtlich ist,
ermöglicht
die Anti-Pendelvorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung eine bemerkenswerte Verbesserung sowohl hinsichtlich der
Querstabilität
des Drehgestells während
einer geradlinigen Bewegung, des Fahrzeugs als auch während der
Einfahrt des Drehgestells in eine Kurve. Diese Vorteile sind dann spürbarer,
wenn sie bei Hochgeschwindigkeits-Schienenfahrzeugen angewandt werden,
die in Kurven mit einer hohen Querbeschleunigung einfahren, die
nicht ausgeglichen wird.
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Selbstverständlich können Einzelheiten im Aufbau
sowie die Ausführungsformen
gegenüber
der Beschreibung und den Zeichnungen weit verändert werden, ohne dadurch
vom Gebiet der vorliegenden Erfindung abzuweichen, wie sie in den
angeschlossenen Ansprüchen
festgelegt ist.