EP0619212B1 - Wankstütze für Schienenfahrzeuge - Google Patents

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Publication number
EP0619212B1
EP0619212B1 EP94104993A EP94104993A EP0619212B1 EP 0619212 B1 EP0619212 B1 EP 0619212B1 EP 94104993 A EP94104993 A EP 94104993A EP 94104993 A EP94104993 A EP 94104993A EP 0619212 B1 EP0619212 B1 EP 0619212B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
carriage body
roll device
drive element
supporting component
roll
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP94104993A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP0619212A1 (de
Inventor
Manfred Dipl.-Ing. Düsing
Yuan Dr.-Ing. Lü
Jürgen Dipl.-Ing. Jakob
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Waggonfabrik Talbot GmbH and Co KG
Original Assignee
Waggonfabrik Talbot GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Waggonfabrik Talbot GmbH and Co KG filed Critical Waggonfabrik Talbot GmbH and Co KG
Publication of EP0619212A1 publication Critical patent/EP0619212A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0619212B1 publication Critical patent/EP0619212B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61F—RAIL VEHICLE SUSPENSIONS, e.g. UNDERFRAMES, BOGIES OR ARRANGEMENTS OF WHEEL AXLES; RAIL VEHICLES FOR USE ON TRACKS OF DIFFERENT WIDTH; PREVENTING DERAILING OF RAIL VEHICLES; WHEEL GUARDS, OBSTRUCTION REMOVERS OR THE LIKE FOR RAIL VEHICLES
    • B61F5/00—Constructional details of bogies; Connections between bogies and vehicle underframes; Arrangements or devices for adjusting or allowing self-adjustment of wheel axles or bogies when rounding curves
    • B61F5/02—Arrangements permitting limited transverse relative movements between vehicle underframe or bolster and bogie; Connections between underframes and bogies
    • B61F5/22—Guiding of the vehicle underframes with respect to the bogies
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61F—RAIL VEHICLE SUSPENSIONS, e.g. UNDERFRAMES, BOGIES OR ARRANGEMENTS OF WHEEL AXLES; RAIL VEHICLES FOR USE ON TRACKS OF DIFFERENT WIDTH; PREVENTING DERAILING OF RAIL VEHICLES; WHEEL GUARDS, OBSTRUCTION REMOVERS OR THE LIKE FOR RAIL VEHICLES
    • B61F5/00—Constructional details of bogies; Connections between bogies and vehicle underframes; Arrangements or devices for adjusting or allowing self-adjustment of wheel axles or bogies when rounding curves
    • B61F5/02—Arrangements permitting limited transverse relative movements between vehicle underframe or bolster and bogie; Connections between underframes and bogies
    • B61F5/14—Side bearings
    • B61F5/148—Side bearings between bolsterless bogies and underframes

Definitions

  • the invention relates to a roll support for rail vehicles with the features of the preamble of claim 1.
  • this anti-roll support becomes ineffective without further measures; on the other hand, it could also be expanded to an active tilt control by allowing a controlled overflow of hydraulic fluid between the two normally separate cylinder sides or pressure circuits.
  • the anti-roll device In wheel-rail vehicles, the anti-roll device is usually pivoted in the form of a torsion bar arranged transversely to the direction of travel in the chassis or on the car body. This structure is less expensive than the two rockers discussed above.
  • EP-B-0 358 143 describes a hydraulic vibration damper which can be directly connected to conventional anti-roll supports and which dampens vertical vibrations of the secondary suspension.
  • the object of the invention is to provide an embodiment of an active body inclination device which is particularly suitable for retrofitting in an existing conventional wheel-rail chassis.
  • chassis 1, z. B. a biaxial bogie under a rail vehicle for passenger transport has, according to Figure 1, two parallel side bolsters 2 and at least one crossbar connecting them 3.
  • the wheel sets of the chassis 1, not shown, are each mounted outside in the side bolsters 2 extending in the direction of travel, so that the cross member 3 is substantially parallel to the roll axis of the wheel sets.
  • a car body 4 rests on the chassis 1 via a (secondary) suspension 5, which is formed here by two air springs that communicate fluidly with one another via a throttle, with rubber-elastic emergency springs.
  • a mechanical suspension could also be combined with the subject of the application.
  • a pin 6 is fixed in a known manner on the base of the body 4, which engages in a guide 7 fixed to the chassis with play and is laterally buffered by elastic elements.
  • This ensemble has been modified compared to an earlier system without active tilt control in order to take account of the bodywork movements, which also changed in the transverse direction.
  • Parallel to the traverse extends over the entire width of the car as a torsion bar spring and preferably pivotally mounted in the chassis frame in the region of the side bolsters 2 8 Wear a pivot axis 9A at each end.
  • Corresponding articulation axes 4A are provided on the body 4.
  • the articulation axes 4A, 9A, which extend parallel to the support part 8, are connected to one another in pairs and sides by connecting pieces 10.
  • a controllable drive 11 is now assigned to each connecting piece 10 such that the distance between the two articulation axes 4A and 9A of the connecting piece 10 can be actively changed.
  • the car body is based on the mechanical anti-roll bracket by changing the length can be actively inclined at the connecting pieces 10 about a longitudinal axis lying in the direction of travel of the vehicle. The angle of inclination is then essentially determined by the difference in length between the two connecting pieces.
  • the weight of the car body is borne by the suspension 5; due to the pivot bearing of the support part 8 in the chassis 1, this does not provide any significant resistance to a symmetrical or parallel deflection of the suspension 5 and, consequently, the vibrations occurring due to unevenness in the route, apart from bearing frictional forces.
  • parallel is meant the cases in which the car body remains parallel to itself during deflection.
  • the transverse tilt function can in principle be carried out in the same way with only one drive element on one side and a conventional connecting piece designed as a longitudinally rigid pendulum support on the other side.
  • the support member 8 In the direction of extension of the drive element from the central position, the support member 8 would be rotated so that both levers 9 pivot downward; but while the car body side supported on the variable-length connector is raised, the side coupled to the rigid connector is pulled down.
  • a reverse process occurs when the length-adjustable connecting piece is shortened.
  • the controllable drives 11 are designed here as hydraulic lifting cylinders, the piston rods of which are formed by the connecting pieces 10. In principle, however, other suitable drive elements can also be used if they can only be adjusted sufficiently quickly and precisely and can be adapted for installation and operation in the rail vehicle.
  • the articulation axes are only indirectly connected here via the connecting pieces 10; the drives 11 are interposed.
  • drives 11 and connectors 10 only for descriptive purposes; functionally, the lifting cylinders formed from them can be seen as a unit.
  • the asymmetrical solution mentioned with only one double-acting lifting cylinder has the advantage in itself of requiring fewer components.
  • the actual control / regulation can also be much easier because only one (1) additional degree of freedom is introduced; Accordingly, less measurement data are to be processed than with the symmetrical solution.
  • the torsional rigidity of the support part 8 is dimensioned so high in both variants that a deliberately caused unequal length of the connecting pieces 10 cannot be compensated for by twisting the support part 8. Nevertheless, the elastic deformation is not negligible.
  • the effective car body cross slope (actual value) is set or controlled with the aid of an actual value-setpoint comparison.
  • a distance measurement is provided on the drive elements 11 or the connecting pieces 10 as a direct feedback of the actual values of the car body inclination. This results in a high stability of the control; Body vibrations are absorbed by the roll support and do not affect the measurement.
  • Displacement sensors are provided which, in the present exemplary embodiment, have to detect the stroke of a piston in a hydraulic cylinder, as is indicated in FIG. 3 by a double arrow "x". They can be installed directly in the drive elements or attached to the outside with the cylinder as the base to detect the stroke of the piston rod or the connecting piece 10.
  • the so-called inclination coefficient S w can be used as an auxiliary variable for determining the setpoint value of the bank gradient to be adapted to the route and driving speed.
  • S w is the ratio between the (adjustable) angle between the car body and the track and the difference from the compensation angle - at which theoretically all transverse forces are compensated for by centrifugal force - minus the track angle, thus the elevation of the outer rail compared to the inner rail.
  • Inclination coefficients for conventional vehicles are positive and are usually between 0.2 and 0.4; d. H. the lateral acceleration acting on the travelers is greater than that acting on the chassis. In contrast, vehicles with tilt control have negative tilt coefficients; is this z. B. - 0.5, means that 50% of the centrifugal forces occurring in the track plane are compensated for the passenger (the chassis experiences higher lateral accelerations than the passenger with the car body inclined to the inside of the bend).
  • a target acceleration which is effective for the passenger in the vehicle body can be calculated from measured data (speed, lateral acceleration on the chassis or car body); this in turn allows the target angle between the body and the track to be determined.
  • a falsifying influence of the resilient anti-roll bracket on the measured actual inclination values can be compensated satisfactorily by calculation using an approximation formula empirically determined by simulation. This includes an excess of centrifugal force, the setpoint of the inclination coefficient, the car body load (determined e.g. via air spring pressures) and some vehicle-specific constants.
  • the lifting cylinders must be kept free of transverse forces, particularly when the bogie is being turned out from under the body; e.g. B. the connector 10 - the piston rod - is attached via a hinge eye and the drive element 11 via a crosshead or ball joint.
  • the illustration of the articulation axes as hinges in FIG. 1 is imprecise due to simplification.
  • the air springs of the chassis 1 must carry out larger strokes after installing an active inclination device that acts parallel to the springs.
  • the larger volume required for this can, with the spring rate remaining the same, make it unnecessary to install buffer volumes that were previously provided.
  • the playful transverse suspension formed by the arrangement of the pin 6 and the guide 7 between the chassis 1 and the car body 4 has a large effect on the spatial position of the so-called "roll pole" in the case of a transverse inclination not positively guided by pendulum supports or the like. out.
  • the roll pole is the current axis running in the direction of travel or longitudinal direction, around which the car body is swiveled when the bank is active. In relation to the car body, it should always be as high as possible in order to achieve a behavior of the overall system that is favorable from an energy point of view.
  • a high position of the roll pole supports passive swinging out of the car body in the desired sense, so that the active The control then only has to work in a supporting manner.
  • the lateral and roll movements run in phase.
  • an existing transverse spring of a bogie car body system can remain unchanged per se, but should be set a certain distance higher in order to fix the car body closer to the desired roll collage.
  • the free spring play should also be reduced.
  • the active tilt control can also be combined with an active cross-clearance control known per se, ie a certain idling from a central position of the car body in the y direction until the cross suspension becomes effective, for. B.
  • both drive elements 11 are preferably blocked in one of the two end positions —that is, both connecting pieces are set to the same length. This can be done, for example, hydraulically via valves or mechanically non-positively by clamping or a form-fitting locking. If both drive elements 11 are blocked in the same position, the vehicle can also be driven over longer distances with a fully functional anti-roll support.
  • a system failure may be detected by recording signals from the position of the drive elements and from a force or pressure measurement.
  • the side view of the head part of a multiple unit train according to FIG. 2 shows that the "active" anti-roll bracket described here can be arranged on a normal running gear 1 as well as on a Jacobs bogie 1J in a double version for lead and following vehicles.
  • the drive elements 11 are connected in pairs to the vehicle side via controllable valves 12 and pressure lines, each with hydraulic units 13.
  • Control electronics 14 are schematically assigned to each hydraulic unit 13. Their entirety is in turn connected to a central computer 16 via a signal data bus line 15 running through the vehicle.
  • Signals from pressure sensors 17, which are arranged in the air springs of the suspension 5, are also supplied to the computer on the bus line 15.
  • the computer 16 is also assigned a data memory 18 (for example for route data) and it is supplied with a speed sensor 19 by a tachometer 19 and a current route position s of the vehicle from a distance measurement 20.
  • each electronic control unit 14 receives actual value signals of the current position of the drive elements 11 from the displacement sensors mentioned. It also controls the continuous valves 12 for the drive elements 11 assigned to them.
  • the hydraulic drive elements 11 which are preferably designed as differential cylinders, are operated in accordance with FIG. 3 such that each of the two working chambers 11.1 (on the rod side) or 11.2 on both sides of the piston 11K via the assigned continuous 4/3-way valve 12 alternately with a fluid inlet 21 (with check valve 22 and pressure accumulator 23) and a return 24 is connected.
  • the fully blocking central position of the directional control valve 12 mainly serves to hold a certain position of the lifting piston 11K between its two extreme positions.
  • the working chamber 11.1 is connected to the fluid inlet 21 and the second working chamber 11.2 to the return 24. Only when the valve 12 is electrically actuated can the reverse connection method (crossover position) for extending the piston 11K be established.
  • An unlockable check valve 25 is also connected upstream of the rod-side working chamber 11.1. In the event of a pressure failure in the fluid inlet 21, this serves to block the lifting piston 11K in the fully retracted position, regardless of the respective position of the directional valve 12.
  • the check valve 25 is automatically unlocked hydraulically via a dashed control path as soon as pressure is supplied to the working chamber 11.2 in the "crossover position" of the directional control valve 12 via its supply connection, so that it cannot hinder the extension of the piston 11K in normal operation. If the pressure at this supply connection drops, the check valve 25 closes, so that the piston 11K can only move in the retracting direction.
  • the retracted end position is reached either with the residual pressure or through a self-pumping effect in the event of dynamic load fluctuations in the anti-roll bracket.
  • the spring of the check valve 25 is intended to prevent oil backflows during dynamic load changes. A pressure difference resulting from the spring force can be accepted. This preferred purely hydraulic solution is easy to install close to the cylinder without installation space problems and is therefore particularly cost-effective.
  • mechanical blocking devices can also be provided.
  • a hydraulically or electrically controllable mechanical clamping device would be provided parallel to each drive element 11, or a preferably hydraulically controllable positive locking device.

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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Wankstütze für Schienenfahrzeuge mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.
  • Im normalen Fahrbetrieb von Schienenfahrzeugen sind durch einseitiges Einfedern, insbesondere durch Fliehkraftwirkung bei Bogenfahrt, verursachte Drehbewegungen eines Wagenkastens um seine Längsachse ("Wanken") unerwünscht und werden nach Möglichkeit unterdrückt.
    In DE-Z "o + p / Ölhydraulik und Pneumatik" 36 (1992), Nr. 10, Seiten 638 ff. sowie in der DE-C-40 05 767 wird ein Ausführungsbeispiel einer Wankstabilisierung für Fahrzeuge mit den Gattungsmerkmalen beschrieben, bei dem zwei in einem Fahrgestell um in Fahrtrichtung liegende Achsen schwenkbar gelagerte zweiarmige Wippen quer zur Fahrtrichtung angeordnet sind, die in der Fahrzeugquermitte über eine Stange, eine Feder oder ein hydraulisches Kolben-Arbeitselement gelenkig miteinander und an den Fahrzeugaußenseiten jeweils einzeln über pendelnde längsstarre Verbindungsstücke mit dem Wagenkasten gekuppelt sind.
  • In dem zitierten Zeitschriftenartikel wird auch eine andere Anordnung beschrieben, bei der anstelle einer mechanischen Wankstütze der vorerwähnten Art parallel zu den Luftfedern zwischen den Antriebsgestellen (Linearmotoren) und dem Wagenkasten paarweise hydraulische Gleichgang-Hubzylinder vorgesehen sind, deren je zwei Arbeitskammern kreuzweise miteinander kommunizieren. Prinzipbedingt können nur gleichflächige Hubzylinder verwendet werden, die wegen ihrer beidseitigen Kolbenstangen viel Bauraum beanspruchen.
  • Bei eventuellen Lecks des hydraulischen Systems wird diese Wankstütze ohne weitere Maßnahmen unwirksam; sie könnte aber andererseits auch zu einer aktiven Neigungssteuerung ausgebaut werden, indem ein gesteuertes Überströmen von Hydraulikfluid zwischen den beiden normalerweise getrennten Zylinderseiten bzw. Druckkreisen ermöglicht wird.
  • In Rad-Schiene-Fahrzeugen wird die Wankstütze meist in Gestalt eines quer zur Fahrtrichtung angeordneten Torsionsstabs im Fahrwerk oder am Wagenkasten schwenkbar gelagert. Dieser Aufbau ist gegenüber dem eingangs erörterten mit zwei Wippen weniger aufwendig. In der EP-B-0 358 143 wird ein direkt an konventionellen Wankstützen anzulenkender hydraulischer Schwingdämpfer beschrieben, der vertikale Schwingungen der Sekundärfederung dämpft.
  • Zum Erhöhen des Fahrkomforts für Reisende während des Durchfahrens von kurvenreichen Streckenabschnitten wurden aktive Querneigesteuerungen entwickelt, die durch gute Kompensation von Querbeschleunigungen zusätzlich zu den vorhandenen Gleisüberhöhungen höhere Reisegeschwindigkeiten bei gutem Komfort zulassen. Bei einer Einrichtung dieser Art (DE-A-37 13 615) ist ein Wagenkasten über Luftfedern direkt auf einem Fahrgestell abgestützt, während er parallel zu den Luftfedern über längsstarre Pendelstützen an einem zusätzlichen Zwischenträger aufgehängt ist, der sich seinerseits über eine Torsionsstab-Wankstütze am Fahrgestell abstützt. Über einen einzelnen steuerbaren Antrieb ist eine Neigung des Wagenkastens gegenüber dem Zwischenträger erzwingbar. In die Geometrie der Wankstütze wird bei der Aktivierung dieser Antriebs-Anordnung nicht eingegriffen.
  • Die Erfindung hat die Aufgabe, ausgehend von dem eingangs genannten Stand der Technik eine für den nachträglichen Einbau in ein vorhandenes konventionelles Rad-Schiene-Fahrwerk besonders geeignete Ausführung einer aktiven Wagenkastenneigungseinrichtung anzugeben.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
    Die kennzeichnenden Merkmale der Unteransprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung an.
  • Aus einer gesteuerten Längenänderung eines Verbindungsstücks innerhalb der Wankstütze zwischen Wagenkasten bzw. Fahrwerk, ausgehend von einer neutralen Lage -Neigungswinkel Null-, resultiert ein aktives Neigen des Wagenkastens gegenüber dem Fahrgestell, das zur besseren Kompensation von Fliehkräften bei Bogenfahrt ausgenutzt werden kann. Gleichwohl wird die eigentliche Funktion der mechanischen Wankstütze in keiner Weise beeinträchtigt und bleibt auch bei einem eventuellen Versagen der aktiven Neigesteuerung erhalten.
  • Weitere Einzelheiten und Vorteile des Gegenstands ergeben sich aus der Zeichnung mehrerer Ausführungsbeispiele und deren folgender detaillierter Beschreibung.
  • Es zeigen in stark schematisierter Darstellung
    • Figur 1
    eine perspektivische Schnittansicht eines Schienenfahrzeugs mit einer Wankstütze und einer damit kombinierten aktiven Querneigeeinrichtung,
    Figur 2
    eine Seitenansicht des Schienenfahrzeugs mit Systemkomponenten der Querneigeeinrichtung und
    Figur 3
    eine hydraulische Schaltskizze für ein Antriebselement mit Steuer- und Rückschlagventilen und einer hydraulischen Blockierung.
  • Ein nur teilweise angedeutetes Fahrgestell 1, z. B. ein zweiachsiges Drehgestell unter einem Schienenfahrzeug zur Personenbeförderung, hat gemäß Figur 1 zwei parallele Seitenwangen 2 und mindestens eine diese verbindende Traverse 3. Die nicht dargestellten Radsätze des Fahrgestells 1 sind jeweils außen in den sich in Fahrtrichtung erstreckenden Seitenwangen 2 gelagert, so daß die Traverse 3 im wesentlichen parallel zur Rollachse der Radsätze liegt.
    Ein Wagenkasten 4 liegt auf dem Fahrgestell 1 über eine (Sekundär-)Federung 5 auf, die hier durch zwei über eine Drossel fluidisch miteinander kommunizierende Luftfedern mit gummielastischen Notfedern gebildet wird. Mit dem Anmeldungsgegenstand könnte aber auch eine mechanische Federung kombiniert werden.
  • Zur Begrenzung von Querbewegungen zwischen dem Wagenkasten 4 und dem Fahrgestell 1 ist in bekannter Weise ein Zapfen 6 am Untergestell des Wagenkastens 4 befestigt, der in eine fahrgestellfeste Führung 7 mit Spiel eingreift und durch elastische Elemente seitlich gepuffert ist. Dieses Ensemble ist gegenüber einem früheren System ohne aktive Neigungssteuerung modifiziert, um den auch in Querrichtung veränderten Wagenkastenbewegungen Rechnung zu tragen.
  • Parallel zu der Traverse erstreckt sich über die gesamte Wagenbreite ein als Torsionsstabfeder ausgeführtes und im Fahrgestellrahmen vorzugsweise im Bereich der Seitenwangen 2 schwenkbar gelagertes Stützteil 8. An dessen beiden seitlich über die Seitenwangen 2 herausstehenden Enden sind einarmige Kurbel-Hebel 9 befestigt, die an ihren freien Enden je eine Anlenkachse 9A tragen. Am Wagenkasten 4 sind korrespondierende Anlenkachsen 4A vorgesehen. Die sich parallel zu dem Stützteil 8 erstreckenden Anlenkachsen 4A, 9A sind paar- und seitenweise durch Verbindungsstücke 10 miteinander verbunden.
  • Die Baugruppe aus Stützteil 8, Hebeln 9 und Verbindungsstücken 10 ist an sich als sogenannte Wankstütze bekannt.
  • Zusätzlich ist nun aber jedem Verbindungsstück 10 ein steuerbarer Antrieb 11 so zugeordnet, daß der Abstand zwischen den beiden Anlenkachsen 4A und 9A des Verbindungsstücks 10 aktiv veränderbar ist. Das bedeutet, daß der Wagenkasten unmittelbar auf der Basis der mechanischen Wankstütze durch eine Längenänderung an den Verbindungsstücken 10 aktiv um eine in Fahrtrichtung des Fahrzeugs liegende Längsachse querneigbar ist. Der Neigungswinkel wird dann im wesentlichen durch die Längendifferenz zwischen den beiden Verbindungsstücken bestimmt.
  • Das Gewicht des Wagenkastens wird von der Federung 5 getragen; aufgrund der Schwenklagerung des Stützteils 8 im Fahrgestell 1 setzt dieses einem symmetrischen bzw. parallelen Einfedern der Federung 5 und mithin den aufgrund von Fahrwegunebenheiten auftretenden Schwingungen, von Lager-Reibungskräften abgesehen, keinen nennenswerten Widerstand entgegen. Mit "parallel" sind die Fälle gemeint, in denen der Wagenkasten während des Einfederns zu sich selbst parallel bleibt.
  • Die Querneigefunktion kann grundsätzlich in gleicher Weise auch mit nur einem Antriebselement auf einer Seite und einem konventionellen, als längsstarre Pendelstütze ausgeführten Verbindungsstück auf der anderen Seite ausgeführt werden. Hierzu würde ein doppeltwirkendes Antriebselement benötigt, das ausgehend von einer neutralen Mittellage - in der der Wagenkastenunterboden parallel zu der Ebene des Fahrgestells 1 liegt - in zwei Richtungen steuerbar ist, wobei der Wagenkasten einmal nach links und einmal nach rechts geneigt wird. In Ausfahrrichtung des Antriebselements aus der Mittellage würde das Stützteil 8 so gedreht, daß beide Hebel 9 nach unten schwenken; während aber die auf das längenveränderliche Verbindungsstück gestützte Wagenkastenseite angehoben wird, wird die mit dem starren Verbindungsstück gekuppelte Seite heruntergezogen. Ein umgekehrter Ablauf ergibt sich beim Verkürzen des längenverstellbaren Verbindungsstücks.
  • Die steuerbaren Antriebe 11 sind hier als hydraulische Hubzylinder ausgeführt, deren Kolbenstangen durch die Verbindungsstücke 10 gebildet sind. Grundsätzlich können aber auch andere geeignete Antriebselemente verwendet werden, wenn sie nur hinreichend schnell und exakt verstellbar sind und für den Einbau und Betrieb im Schienenfahrzeug angepaßt werden können.
  • Genau genommen sind also die Anlenkachsen hier nur mittelbar über die Verbindungsstücke 10 verbunden; die Antriebe 11 sind zwischengeschaltet. Jedoch wird zwischen Antrieben 11 und Verbindungsstücken 10 nur für Beschreibungszwecke differenziert; funktionell sind die daraus gebildeten Hubzylinder als Einheit anzusehen.
  • Die erwähnte asymmetrische Lösung mit nur einem doppeltwirkenden Hubzylinder besitzt an sich den Vorteil, weniger Bauteile zu benötigen. Wesentlich einfacher kann auch die eigentliche Steuerung/Regelung ausfallen, weil nur ein (1) zusätzlicher Freiheitsgrad eingeführt wird; entsprechend sind weniger Meßdaten als bei der symmetrischen Lösung zu verarbeiten.
  • Die Kräfte an den Antriebselementen sind in beiden Varianten gleich, weil sich über das Stützteil 8 Momentengleichgewicht einstellt. Bei der asymmetrischen Variante ist jedoch der Zylinderhub doppelt so groß wie bei der bevorzugten symmetrischen Anordnung. Ferner könnte es bei Systemstörungen auf der Hydraulikseite schwierig sein, die für Geradeausfahrt bzw. Neigungswinkel Null benötigte neutrale Mittellage des einzelnen Zylinders einzustellen.
  • Vorteile der Lösung mit beidseitigen Hubzylindern - die als Reihenschaltung der beiden Hubzylinder / Antriebselemente 11 mit einer (Dreh-) Feder - dem Stützteil 8 - anzusehen ist - sind ungeachtet des höheren Bau- und Steuerungsaufwands (zwei zusätzliche Freiheitsgrade gegenüber dem konventionellen Fahrzeug, mit entsprechender Sensorik) die Symmetrie der Anordnung, woraus gleiches Regelverhalten für Rechts- und Linksneigungen resultiert. Sehr vorteilhaft können die Antriebselemente 11 wegen der geringeren benötigten Hübe kürzer als ein einzelnes, einseitiges Antriebselement gehalten werden. Auch kann die Ruhelage mit Neigungswinkel Null sehr einfach in einer Endlage, vorzugsweise in der vollständig eingefahrenen Stellung, eingestellt werden, wie noch näher erörtert wird.
  • Die Torsionssteifigkeit des Stützteils 8 ist in beiden Varianten so hoch zu bemessen, daß eine gewollt herbeigeführte ungleiche Länge der Verbindungsstücke 10 nicht durch Tordieren des Stützteils 8 in sich ausgeglichen werden kann. Dennoch ist die elastische Verformung nicht vernachlässigbar.
  • Die effektive Wagenkasten-Querneigung (Istwert) wird mit Hilfe eines Istwert-Sollwert-Vergleichs eingestellt bzw. gesteuert.
  • An den Antriebselementen 11 bzw. den Verbindungsstücken 10 ist als direkte Rückmeldung der Istwerte der Wagenkastenneigung eine Wegmessung vorgesehen. Hieraus resultiert ein hohe Stabilität der Regelung; Wagenkastenschwingungen werden von der Wankstütze aufgenommen und beeinflussen die Messung nicht.
  • Es werden Wegsensoren vorgesehen, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel den Hub eines Kolbens in einem hydraulischen Zylinder erfassen müssen, wie in Figur 3 durch einen Doppelpfeil "x" angedeutet ist.
    Sie können unmittelbar in die Antriebselemente eingebaut werden oder außen befestigt mit dem Zylinder als Basis den Hub der Kolbenstange bzw. des Verbindungsstücks 10 erfassen.
  • Als Hilfsgröße für die Ermittlung des der Streckenführung und Fahrgeschwindigkeit anzupassenden Sollwerts der Querneigung kann der sogenannte Neigungskoeffizient Sw verwendet werden.
  • Dieser ist nach der Formel S w = a w a g - 1
    Figure imgb0001
     als Verhältnis aus der in Wagenkastenebene auf die Reisenden wirkenden Querbeschleunigung aw zu der in Gleisebene wirkenden Querbeschleunigung ag minus 1 definiert. In Winkeln ausgedrückt ist Sw das Verhältnis zwischen dem (einstellbaren) Winkel zwischen Wagenkasten und Gleis und der Differenz aus dem Ausgleichswinkel - bei dem theoretisch sämtliche Querkräfte aus Fliehkraftwirkung ausgeglichen sind - minus dem Gleiswinkel, also der Überhöhung der bogenäußeren gegenüber der bogeninneren Schiene.
  • Neigungskoeffizienten für konventionelle Fahrzeuge sind positiv und liegen in der Regel zwischen 0,2 und 0,4; d. h. die auf die Reisenden einwirkende Querbeschleunigung ist größer als die auf das Fahrwerk einwirkende. Demgegenüber haben Fahrzeuge mit Neigungssteuerung negative Neigungskoeffizienten; beträgt dieser z. B. - 0,5, so bedeutet daß, daß 50 % der in Gleisebene auftretenden Fliehkräfte für den Fahrgast kompensiert werden (das Fahrwerk erfährt höhere Querbeschleunigungen als der mit dem Wagenkasten nach bogeninnen geneigte Fahrgast).
  • Nach Vorgabe eines Soll-Neigungskoeffizienten läßt sich aus Meßdaten (Geschwindigkeit, Querbeschleunigung am Fahrwerk oder Wagenkasten) eine fahrgastwirksame Sollbeschleunigung im Wagenkasten berechnen; hieraus wiederum läßt sich der Sollwinkel zwischen Wagenkasten und Gleis ermitteln.
  • Eine bessere und direktere Steuerung der aktiven Neigungssteuerung kann durch Auswertung von im Fahrzeug gespeicherten Strekkendaten (Bogenradien, Überhöhungen) erreicht werden, da hierbei mangels Beschleunigungssensoren und dgl. keine messungsbedingte Zeitverzögerung und keine Störsignale auftreten. Eine voreilende Steuerung wird möglich, mit der auch z. B. Gleisverwindungen kompensiert werden können.
  • Ein verfälschender Einfluß der federnden Wankstütze auf die gemessenen Neigungs-Istwerte kann rechnerisch nach einer durch Simulation empirisch ermittelten Näherungsformel zufriedenstellend kompensiert werden. In diese fließen ein Fliehkraftüberschuß, der Sollwert des Neigungskoeffizienten, die Wagenkastenbeladung (ermittelt z. B. über Luftfederdrücke) sowie einige fahrzeugspezifische Konstanten ein.
  • Der Einstellung der Querneigung durch die Antriebselemente 11 wirken - neben der Verformung der Wankstütze und der Querfederung 6, 7 auch die Rückstellkräfte der Federung 5 und die parallel zu letzterer vorgesehene Sekundärdämpfung entgegen. Trotzdem können sehr kompakte Hubzylinder als Antriebselemente verwendet werden, deren Einbau in das Fahrgestell anstelle der bisher vorgesehenen Verbindungsstücke keine größeren Probleme aufwirft. Auch ein Einsatz in Jacobs-Drehgestellen (vgl. Fig. 2), bei denen sich zwei Wagenkästen mit je einer Wankstütze auf ein gemeinsames Fahrgestell stützen, ist ohne Platzprobleme möglich. Ein weiterer Vorteil ist, daß in den kleinvolumigen Hubzylindern gegenüber vergleichbaren pneumatischen Neigungssteuerungen nur geringe Fluidmengen transportiert werden müssen.
  • Es versteht sich, daß die Hubzylinder von Querkräften insbesondere beim Ausdrehen des Drehgestells unter dem Wagenkasten freigehalten werden müssen; z. B. wird das Verbindungsstück 10 - die Kolbenstange - über ein Gelenkauge und das Antriebselement 11 über ein Kreuzkopf- oder Kugelgelenk befestigt. Insoweit ist die Darstellung der Anlenkachsen als Scharniere in Fig. 1 durch Vereinfachung ungenau.
  • Die Luftfedern des Fahrgestells 1 müssen nach Einbau einer aktiven, parallel zu den Federn wirkenden Neigungseinrichtung größere Hübe ausführen. Das hierzu benötigte größere Volumen kann bei gleichbleibender Federrate den Einbau von bisher vorzusehenden Puffervolumina erübrigen.
  • Die durch die Anordnung des Zapfens 6 und der Führung 7 zwischen dem Fahrgestell 1 und dem Wagenkasten 4 gebildete spielbehaftete Querfederung wirkt sich bei einer nicht durch Pendelstützen oder dgl. zwangsgeführten Querneigung wie der hier beschriebenen in hohem Maße auf die räumliche Lage des sogenannten "Wankpols" aus.
    Der Wankpol ist die momentane in Fahrt- bzw. Längsrichtung verlaufende Achse, um die der Wagenkasten bei der aktiven Querneigung geschwenkt wird. Im Verhältnis zum Wagenkasten sollte er immer möglichst hoch liegen, um ein unter energetischen Gesichtspunkten günstiges Verhalten des Gesamtsystems zu erzielen. Eine hohe Lage des Wankpols unterstützt passives Ausschwenken des Wagenkastens im erwünschten Sinne, so daß die aktive Steuerung dann nur noch unterstützend arbeiten muß. Die Quer- und die Wankbewegung laufen dabei phasengleich.
    Simulationen und Versuche haben ergeben, daß eine vorhandene Querfeder eines Drehgestell-Wagenkasten-Systems an sich unverändert bleiben kann, jedoch um eine bestimmte Strecke höher gesetzt werden sollte, um den Wagenkasten stärker in der Nähe der gewünschten Wankpollage zu fixieren. Auch sollte das freie Federspiel verringert werden.
    Natürlich kann die aktive Neigungssteuerung auch mit einer an sich bekannten aktiven Querspielsteuerung kombiniert werden, d. h. ein gewisser Leerlauf aus einer Mittelstellung des Wagenkastens in y-Richtung bis zum Wirksamwerden der Querfederung könnte z. B. durch Verwendung von Luft-Querfedern variabel einstellbar sein, um so je nach Bedarf ein früheres oder späteres Ansprechen der Querfederung zu erreichen und die Quer- und Wankbewegungen besser zu koppeln.
  • Wie bereits erwähnt wurde, werden die Hubzylinder-Antriebselemente im Fahrbetrieb ausgehend von einer Mittellage gesteuert, d. h. beim Ausfahren des einen Antriebselements wird das gegenüberliegende eingefahren. Die Wankstützenverbindung zwischen dem Wagenkasten 4 und dem Fahrgestell umfaßt also auch eine Fluidsäule.
    Besondere Einrichtungen müssen ggf. für einen Notbetrieb -Ausfall der Hydraulik oder der elektronischen Regelung- vorgesehen werden. Hierbei werden beide Antriebselemente 11 vorzugsweise in einer der beiden Endlagen -also beide Verbindungsstücke gleich lang eingestellt- blockiert. Dies kann beispielsweise hydraulisch über Ventile oder mechanisch kraftschlüssig durch Klemmen oder eine formschlüssige Verriegelung geschehen. Wenn beide Antriebselemente 11 in gleicher Stellung blockiert sind, kann das Fahrzeug problemlos mit voll funktionsfähiger Wankstütze auch über größere Strecken weitergefahren werden.
  • Ein Systemausfall wird ggf. durch Erfassung von Signalen aus der Stellung der Antriebselemente und aus einer Kraft- oder Druckmessung erkannt.
  • Die Seitenansicht des Kopfteils eines Triebwagenzugs gemäß Figur 2 zeigt, daß die hier beschriebene "aktive" Wankstütze sowohl an einem Normal-Fahrwerk 1 als auch - in doppelter Ausführung für Vorlauf- und Folgefahrzeug - an einem Jacobs-Drehgestell 1J angeordnet werden kann. Ferner sind hier die wesentlichen Systemkomponenten zusammengefaßt skizziert. Die Antriebselemente 11 sind -paarweise nach Fahrzeugseiten- über steuerbare Ventile 12 und Druckleitungen jeweils mit Hydroaggregaten 13 verbunden. Schematisch ist jedem Hydroaggregat 13 eine Regelelektronik 14 zugeordnet. Deren Gesamtheit wiederum ist über eine im Fahrzeug durchlaufende Signaldaten-Busleitung 15 mit einem zentralen Rechner 16 verbunden. Auf der Busleitung 15 werden dem Rechner u. a. auch Signale von Drucksensoren 17 zugeführt, die in den Luftfedern der Federung 5 angeordnet sind. Dem Rechner 16 ist ferner ein Datenspeicher 18 (z. B. für Streckendaten) zugeordnet, und es werden ihm von einem Tachogeber 19 Fahrgeschwindigkeitssignale v und aus einer Wegmessung 20 eine aktuelle Strekkenposition s des Fahrzeugs zugeführt.
  • Jede Regelelektronik 14 erhält eingangsseitig von den erwähnten Wegsensoren Istwertsignale der momentanen Stellung der Antriebselemente 11 zugeführt. Sie steuert auch die stetigen Ventile 12 für die ihr zugeordneten Antriebselemente 11.
  • Um eine hohe Dynamik zu erreichen, werden die vorzugsweise als Differentialzylinder ausgeführten hydraulischen Antriebselemente 11 gemäß Figur 3 so betrieben, daß jede der beiden Arbeitskammern 11.1 (stangenseitig) bzw. 11.2 beidseits des Kolbens 11K über das zugeordnete stetige 4/3-Wege-Ventil 12 wechselweise mit einem Fluidzulauf 21 (mit Rückschlagventil 22 und Druckspeicher 23) und einem Rücklauf 24 verbunden wird.
  • Die voll sperrende Mittelstellung des Wegeventils 12 dient hauptsächlich dem Halten einer bestimmten Stellung des Hubkolbens 11K zwischen dessen beiden Extremlagen.
  • In einer Fail-Safe-Stellung (= Sicherheitsstellung, die sich selbsttätig bei Ausfall der elektronischen Ventilsteuerung einstellt) des 4/3-Wegeventils 12 ist die Arbeitskammer 11.1 mit dem Fluidzulauf 21 und die zweite Arbeitskammer 11.2 mit dem Rücklauf 24 verbunden. Nur bei vorliegender elektrischer Ansteuerung des Ventils 12 kann die umgekehrte Anschlußweise (Überkreuzstellung) zum Ausfahren des Kolbens 11K hergestellt werden.
  • Der stangenseitigen Arbeitskammer 11.1 ist ferner ein entsperrbares Rückschlagventil 25 vorgeschaltet. Dieses dient bei einem Druckausfall im Fluidzulauf 21 zum Blockieren des Hubkolbens 11K in der vollständig eingefahrenen Stellung unabhängig von der jeweiligen Stellung des Wegeventils 12.
    Das Rückschlagventil 25 wird hydraulisch selbsttätig über einen gestrichelt angedeuteten Steuerweg entsperrt, sobald der Arbeitskammer 11.2 in der "Überkreuzstellung" des Wegeventils 12 über ihren Versorgungsanschluß Druck zugeführt wird, so daß es im Regelbetrieb das Ausfahren des Kolbens 11K nicht behindern kann.
    Sinkt der Druck an diesem Versorgungsanschluß ab, so sperrt das Rückschlagventil 25, so daß sich der Kolben 11K nur noch in die Einfahrrichtung bewegen kann. Die eingefahrene Endlage wird entweder mit dem Restdruck oder durch einen Selbstpumpeffekt bei dynamischen Lastschwankungen in der Wankstütze sicher erreicht. Die Feder des Rückschlagventils 25 soll Ölrückflüsse bei dynamischen Lastwechseln verhindern. Eine aus der Federkraft resultierende Druckdifferenz kann hingenommen werden.
    Diese bevorzugte rein hydraulische Lösung ist ohne Bauraumprobleme zylindernah leicht zu montieren und daher besonders kostengünstig.
  • Alternativ können aber auch mechanische Blockiereinrichtungen vorgesehen werden. Hierbei wäre beispielsweise parallel zu jedem Antriebselement 11 eine hydraulisch oder elektrisch steuerbare mechanische Klemmeinrichtung vorzusehen, oder eine vorzugsweise hydraulisch steuerbare formschlüssige Verriegelungseinrichtung.
  • Es sei abschließend angemerkt, daß es für die vorstehend beschriebene Kombination einer konventionellen Wankstütze mit einer aktiven Querneigungssteuerung unerheblich ist, ob das Stützteil 8 im Fahrwerk oder im Wagenkasten gelagert ist. Auch können die Antriebselemente 11 selbstverständlich auch statt an den Hebeln 9 bzw. den Anlenkachsen 9A an den wagenkastenseitigen Anlenkachsen 4A und die Verbindungsstücke 10 an den hebelseitigen Anlenkachsen 9A angelenkt werden.

Claims (10)

  1. Wankstütze für Schienenfahrzeuge mit einem über eine Federung (5) auf einem Fahrgestell (1) aufliegenden Wagenkasten (4), umfassend
    - wenigstens ein im Fahrzeug schwenkbar gelagertes, sich im wesentlichen quer zur Fahrzeuglängsachse erstreckendes Stützteil (8) zum Abstützen des Wagenkastens (4) gegenüber dem Fahrgestell gegen Querneigungen (Wanken) um eine in Fahrtrichtung liegende Achse,
    - mindestens ein an einem endseitigen Hebel (9) des Stützteils (8) und an dem Wagenkasten (4) beidseitig um beabstandete Anlenkachsen (4A, 9A) schwenkbar gelagertes Verbindungsstück (10),
    - über welches das Fahrgestell und der Wagenkasten gelenkig miteinander gekuppelt sind und zumindest bei zu sich selbst parallelem Einfedern des Wagenkastens in der Federung eine das Einfedern nicht behindernde Schwenkbewegung des Stützteils erzwungen wird,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß dem mindestens einen Verbindungsstück (10) ein steuerbares Antriebselement (11) zum aktiven Verändern des Abstands zwischen den beiden Anlenkachsen (4A, 9A) zugeordnet ist.
  2. Wankstütze nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß das Stützteil (8) als Torsionsstabfeder mit zwei endseitigen Kurbel-Hebeln (9) ausgeführt ist, deren jeder über ein Verbindungsstück (10) gelenkig mit einander gegenüberliegenden Außenseiten des Wagenkastens (4) verbunden ist, und
    daß beide Verbindungsstücke (10) mittels je eines steuerbaren Antriebselements (11) unabhängig voneinander längenveränderlich einstellbar sind.
  3. Wankstütze nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß das Stützteil (8) als Torsionsstabfeder mit zwei endseitigen Kurbel-Hebeln (9) ausgeführt ist, deren jeder über ein Verbindungsstück (10) gelenkig mit einander gegenüberliegenden Außenseiten des Wagenkastens (4) verbunden ist, und daß nur eines der Verbindungsstücke mittels des steuerbaren Antriebselements (11) längenveränderlich einstellbar ist, während das andere eine längsstarre Pendelstütze ist.
  4. Wankstütze nach einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß jedes Antriebselement (11) als hydraulischer Differential-Hubzylinder ausgeführt ist, dessen beide Arbeitskammern (11.1, 11.2) über ein regelbares Wegeventil (12) wechselweise mit einem Fluidzulauf (21) und einem Rücklauf (17) verbindbar sind.
  5. Wankstütze nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß eine Einrichtung zum Blockieren des Antriebselements (11) in einer bestimmten Stellung vorgesehen ist.
  6. Wankstütze nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Einrichtung ein durch Druckzufuhr entsperrbares, einer der Arbeitskammern (11.1) des hydraulischen Antriebselements (11) vorgeschaltetes, in Sperrstellung einen Fluidrücklauf aus dieser Arbeitskammer (11.1) sperrendes Rückschlagventil (25) umfaßt, wobei der Entsperrdruck aus einem Versorgungsanschluß der anderen Arbeitskammer (11.2) lieferbar ist.
  7. Wankstütze nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Einrichtung eine mechanische kraftschlüssig wirkende Klemmvorrichtung umfaßt.
  8. Wankstütze nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Einrichtung eine formschlüssige Verriegelung umfaßt.
  9. Wankstütze nach einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß jedem Verbindungsstück (10) und/oder dem zugeordneten Antriebselement (11) ein Wegsensor zugeordnet ist, der eine momentane Iststellung (x) des Antriebselements (11) erfaßt und ein in einer der Wankstütze zugeordneten Regelelektronik (14) auswertbares Signal erzeugt.
  10. Verfahren zur Steuerung der an einer Wankstütze nach Anspruch 1 oder 9 vorgesehenen Antriebselemente,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß Istwerte einer Querneigung des Wagenkastens (4) gegenüber dem befahrenen Gleis aus einer vergleichenden Messung der eingestellten Abstände zwischen den Anlenkpunkten der Verbindungsstücke (10) gewonnen werden,
    daß der Einfluß des elastischen Stützteils (8) auf die Istwertmessung rechnerisch unter Berücksichtigung des Fliehkraftüberschusses, des Sollwerts eines Neigungskoeffizienten (Sw), der Beladung des Wagenkastens (ermittelt z. B. über Luftfederdrücke) sowie fahrzeugspezifischer Konstanten kompensiert wird, und
    daß ein Sollwert der Querneigung des Wagenkastens (4) durch Vorgabe eines Soll-Neigungskoeffizienten (Sw) und einer fahrgastwirksamen Sollbeschleunigung aus Meßdaten (Fahrgeschwindigkeit, Querbeschleunigung am Fahrwerk oder Wagenkasten) und/oder durch Auswertung von im Fahrzeug gespeicherten Streckendaten (Bogenradien, Überhöhung) ermittelt und durch Aktivierung der Antriebselemente (11) am Wagenkasten (4) gegenüber dem Fahrwerk (1, 1J) eingestellt wird.
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