EP1580093B1 - Fahrzeug, insbesondere spurgeführtes Fahrzeug, mit gelenkig verbundenen Wagenkästen - Google Patents

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EP1580093B1
EP1580093B1 EP05005376A EP05005376A EP1580093B1 EP 1580093 B1 EP1580093 B1 EP 1580093B1 EP 05005376 A EP05005376 A EP 05005376A EP 05005376 A EP05005376 A EP 05005376A EP 1580093 B1 EP1580093 B1 EP 1580093B1
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EP
European Patent Office
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rail car
rolling
car bodies
another
mwk
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EP05005376A
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EP1580093A2 (de
EP1580093A3 (de
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Thomas Küchler
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Siemens AG
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Siemens AG
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Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
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Publication of EP1580093A3 publication Critical patent/EP1580093A3/de
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61D—BODY DETAILS OR KINDS OF RAILWAY VEHICLES
    • B61D3/00—Wagons or vans
    • B61D3/10—Articulated vehicles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61G—COUPLINGS; DRAUGHT AND BUFFING APPLIANCES
    • B61G5/00—Couplings for special purposes not otherwise provided for
    • B61G5/02—Couplings for special purposes not otherwise provided for for coupling articulated trains, locomotives and tenders or the bogies of a vehicle; Coupling by means of a single coupling bar; Couplings preventing or limiting relative lateral movement of vehicles

Definitions

  • the invention relates to a vehicle, in particular a track-guided vehicle consisting of at least three articulated car bodies, of which at least one center car body MWK is not supported on one or more drives but car body joints on the two adjacent drive car bodies LWK, the themselves in each case supported on at least one drive.
  • the JP 2003-048539 A describes a similar vehicle with connecting devices for the car bodies, which allow only one direction of movement.
  • Admitting rolling movements of the car bodies to each other in a center car body MWK supporting joint has some significant disadvantages.
  • the center car body MWK can be supported in terms of rolling only on the other joint on a drive car body LWK.
  • the reaction forces of centrifugal force, wind load and roll dynamics on this drive car body LWK are significantly higher than if the center car body MWK would be supported on both adjacent drive car bodies LWK.
  • roll dynamics the use of a swivel joint damper 16 in the car body joint, which allows rolling movements of the car bodies relative to one another, represents a known approach to better mastering the problem.
  • Such an articulated damper 16 may be designed as a hydraulic damper which connects the two adjacent car bodies in the roof area in the car body joint. When driving on the road, however, such a damper again builds up torsional stresses in the vehicle body structure depending on the driving speed and the torsional stiffness of the roadway twisting and generates a redistribution of wheel contact forces.
  • Such measures may for example be wankbeskynde buffer and / or attacks in the body joint.
  • the above-mentioned Gelenkwankdämpfer 16 can act Wankwinkelbeskynd if its stroke is dimensioned accordingly. If the joint roll angle is limited, however, torsional stress on the vehicle body structure and wheel tread force redistribution reoccur as soon as the twist angle becomes greater than the permitted joint roll angle.
  • the invention is therefore based on the object to remedy the disadvantages mentioned, which arise when none or only one of the two car body center MWK supporting joints rolling movements of the adjacent car bodies to each other. It is intended to design a vehicle of the generic type such that it can negotiate lane distortions without building up torsional stresses on the body structure and redistributions of the wheel load via a center car body MWK, and that it supports the center car body MWK with respect to roll over both adjacent drive Carriage boxes LWK in the desired distribution allows.
  • a transverse coupling rod 2 known from the type of swivel pitch joint SNG is respectively mounted on the drive car bodies LWK.
  • this cross coupling rod 2 is not mounted directly on the car body, but it attacks an angle lever 9, which in turn is rotatably mounted in a bell crank bearing 10 on the center car body MWK about a vertical axis.
  • a rolling movement of the car bodies to each other in the joint thus leads to a rotational movement of the angle lever 9 about the vertical axis in the angle lever bearing 10.
  • the angle of rotation of the angle lever 9 is a measure of the roll angle of the car bodies to each other.
  • This rotation angle is determined inter alia by the lengths l 1 and l 2 of the angle lever 9. If the angle lever 9 is coupled in its rotational movement, then the roll angle of the car bodies are coupled to one another in the two joints. Coupling elements 11 are used for this coupling. Be used angle lever 9, as in FIG. 5 shown, which have in the vehicle transverse direction via two outgoing from their bell crank bearing leg 10, for example, can be used as coupling elements 11 ropes 12 use or tie rods, which are free of compressive forces. This can be very advantageous if the two joints to be coupled in the roll motion are far away from each other and thus buckling for the coupling elements 11 could become relevant. Otherwise, of course, only one simple angle lever 9 is required for each joint, which are then connected to each other by means of a push-pull rod as a coupling element 11.
  • transverse forces which result, for example, from centrifugal forces during arc travel and / or from wind loads, act on the center car body MWK. These must be transferred from the joints that support the center car body MWK, to the drive car bodies LWK. This takes place first via the bearing elements arranged in the floor area (eg spherical bearing 1). However, since the line of action of the transverse forces is usually above these bearing elements, the center car body MWK a tilting moment about the longitudinal axis - the rolling moment M w .
  • FIG. 6 is a further embodiment possibility for the constructive implementation of the functional relationships between the roll angles of the respective car bodies to each other and the Wankstützmomente shown in the two a center car body MWK supporting joints.
  • trailing arm 8 of a swing-roll joint SWG and the off FIG. 5 known angle lever 9 combines to form a component.
  • tension or tension-compression rods can also be used here again, but also cables 12, in which, where appropriate, the use of guide rollers 13 for deflecting the rope direction can also be considered.
  • the roof structure of the vehicle makes a simple, straight-line arrangement of the coupling elements 11 more difficult.
  • the guide rollers 13 and Bowden cables can be used instead of the ropes 12 and optionally the guide rollers 13 and Bowden cables can be used.
  • FIG. 8 A rolling movement of the car bodies relative to one another is converted into a piston movement on a hydraulic cylinder 14.
  • the amount of oil displaced from the hydraulic cylinder 14 is conducted by means of hydraulic lines 15 to a further hydraulic cylinder 14, which is assigned to the other car body joint of the center car body MWK.
  • a piston movement is now triggered on this hydraulic cylinder 14, which in turn leads to a roll angle of the car bodies connected to this joint to each other.
  • the functional relationships between the two roll angles ⁇ 1 and ⁇ 2 of the car bodies to each other and between the two roll support moments M W 1 and M W 2 made.
  • the functional relationship can be influenced not only via lever ratios but also via the size of the piston surfaces of the hydraulic cylinders 14.
  • synchronizing cylinders should be used for the hydraulic cylinders 14 synchronizing cylinders should be used for the hydraulic cylinders 14 synchronizing cylinders.
  • the damping can be integrated directly into the hydraulic system by in the hydraulic lines 15 throttle valves are provided or these hydraulic lines 15 act even by appropriate cross-sectional choice due to the so definable flow resistance damping.
  • the bellows used for the transition from one car body to another in the area of the car body joints are often of relatively low stress with respect to shear deformation.
  • the execution of the floor in the joint area is often suitable only for low roll angle of the car bodies connected in the joint to each other. Therefore, should there be restrictions on the possible roll angles of the car bodies relative to each other in one or both of the middle car box MWK supporting joints, it may be useful to make a limitation of the roll angle of the car bodies connected to each other in the joint. Similar to the arrangement of swivel joints 16, this can also take place in that limiting elements act via any components involved in the roll coupling of the joints. In FIG.
  • a Wankwinkelbegrenzung the car bodies to each other in the two car body joints of the center car body MWK can, for example, in a hydraulic arrangement FIG. 8 can also be achieved by the stroke of the hydraulic cylinder 14 is limited accordingly, possibly also by elastically acting Hubbegrenzungs shame.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug, insbesondere ein spurgeführtes Fahrzeug, bestehend aus mindestens drei gelenkig miteinander verbundenen Wagenkästen, von denen sich mindestens ein Mittel-Wagenkasten MWK nicht auf ein oder mehrere Laufwerke abstützt sondern über Wagenkastengelenke auf die beiden ihm benachbarten Laufwerk-Wagenkästen LWK, die sich ihrerseits jeweils auf mindestens ein Laufwerk abstützen.
  • Ein solches Fahrzeug mit einem Mittel-Wagenkasten, der kein eigenes Laufwerk hat und sich auf benachbarte Laufwerk-Wagenkästen abstützt, ist aus Rudolf Sommer "Integral - ein Gliederzugsystem für den Vollbahnbetrieb" in ZEV + DET Glas. Ann. 123 (1999), S. 73 - 84, bekannt.
  • Die JP 2003-048539 A beschreibt ein ähnliches Fahrzeug mit Verbindungseinrichtungen für die Wagenkästen, die jeweils nur eine Bewegungsrichtung zulassen.
  • Bei derartigen Fahrzeugen sind mindestens zwischen zwei benachbarten Laufwerken zwei Wagenkastengelenke angeordnet. So ist es möglich, den Abstand zwischen diesen benachbarten Laufwerken relativ groß auszubilden, da sich das Fahrzeug durch seine Wagenkastengelenke in optimaler Weise einem vorgegebenen Hüllprofil anpassen kann. Dieser ansonsten vorteilhafte große Laufwerkabstand bringt jedoch auch einen Nachteil mit sich. Dieser tritt beim Befahren einer Fahrbahnverwindung auf, etwa beim Befahren einer Überhöhungsrampe am Anfang oder Ende eines überhöhten Streckenbogens. Einerseits entstehen größere Beanspruchungen der Wagenkästen hinsichtlich Torsion um die Längsachse (x-Achse) und andererseits entstehen größere Umverteilungen der Radaufstandskräfte. Letzteres kann insbesondere für spurgeführte Fahrzeuge dann kritisch sein, wenn die Tragräder gleichzeitig die Spurführungsfunktion haben, wie eben bei Schienenfahrzeugen. Bei zu großer Minderung der Radaufstandskraft kann dann eine sichere Spurführung nicht mehr gewährleistet werden. Bei Schienenfahrzeugen beispielsweise wird dann davon gesprochen, dass die Sicherheit gegen Verwindungsentgleisung nicht mehr gegeben ist.
  • Weiter verschärft wird die zuvor beschriebene Situation dann, wenn zur Erzielung einer großen Fahrzeuglänge Laufwerk-Wagenkästen und Mittel-Wagenkästen mehrfach mittels Gelenken aneinandergereiht werden. Es entstehen so die oft als Multigelenk-Fahrzeug bezeichneten Fahrzeuge, wie man sie heute häufig als niederflurige Straßenbahnwagen antrifft. Die Torsionsbeanspruchung der Wagenkästen und die Umverteilung der Radaufstandskräfte und damit einhergehend Minderungen der Radaufstandskräfte bei Fahrbahnverwindung nehmen dann in starkem Maße zu.
  • Bei Fahrzeugen der gattungsgemäßen Art sind folgende vier prinzipiellen Gelenkausführungen hinsichtlich ihrer Wirkungsweise bekannt:
    1. 1. Die Gelenke zwischen den Wagenkästen ermöglichen zunächst folgende Drehbewegungen der benachbarten Wagenkästen zueinander:
      • eine Schwenkbewegung um eine Hochachse (z-Achse) und
      • eine Nickbewegung um eine Querachse (y-Achse).
        Ein solches Wagenkastengelenk kann als Schwenk-Nick-Gelenk SNG bezeichnet werden. Es verfügt über zwei Freiheitsgrade und bindet vier Freiheitsgrade. Gebunden werden durch das Schwenk-Nick-Gelenk Verschiebungen der Wagenkästen zueinander in alle drei Koordinatenrichtungen und die Wankbewegung der Wagenkästen zueinander um eine Längsachse (x-Achse).
        In Figur 1 ist eine häufig anzutreffende Ausführungsform auch für ein solches Schwenk-Nick-Gelenk SNG prinzipiell dargestellt. Hier ist im Bereich des Fußbodens der Wagenkästen ein sphärisches Lager 1 angeordnet. Dieses in der Regel als axiales Kugelgelenk ausgebildete Lager bindet drei Freiheitsgrade. Es verhindert die Verschiebung der Wagenkästen zueinander in alle drei Koordinatenrichtungen. Jedoch werden Drehbewegungen der Wagenkästen zueinander gleich um welche Achse durch ein solches Lager nicht verhindert. Dazu bedarf es bei einer solchen Ausführungsform für ein Schwenk-Nick-Gelenk SNG weiterer Konstruktionselemente. Um das Wanken der Wagenkästen zueinander zu unterbinden, kann hier beispielsweise im Dachbereich eine Querkoppelstange 2 zwischen die Wagenkästen montiert werden.
        Es gibt weitere bekannte Ausführungsformen für Schwenk-Nick-Gelenke SNG. Beispielsweise kann im Fußbodenbereich der Wagenkästen ein horizontal liegender Kugeldrehkranz vorgesehen sein, der allein fünf Freiheitsgrade bindet. Er lässt nur Schwenkbewegungen um seine vertikale Drehachse (z-Achse) zu. Um hier ein Schwenk-Nick-Gelenk SNG zu realisieren, wird ein Wagenkasten gelenkig am Kugeldrehkranz abgestützt. Diese gelenkige Abstützung am Kugeldrehkranz erlaubt eine Drehbewegung um eine Querachse (y-Achse) und somit Nickbewegungen der Wagenkästen zueinander.
        Ein Mittel-Wagenkasten MWK ohne Laufwerke ist bei Verwendung der beschriebenen Schwenk-Nick-Gelenke SNG für seine beiden Enden mehr als hinreichend auf die benachbarten Laufwerk-Wagenkästen LWK abgestützt. Bezüglich seiner Wankabstützung liegt eine statische Überbestimmtheit vor, da diese Abstützung gleichzeitig über zwei Wagenkastengelenke erfolgt. Hierin liegt auch der Grund dafür, dass beim Befahren von Fahrbahnverwindungen statische Umverteilungen der Radaufstandskräfte stattfinden und erhebliche Torsionsbeanspruchungen um die Längsachse im Wagenkasten aufgebaut werden.
    2. 2. Eine weitere prinzipielle Gelenkausführung lässt nur eine Schwenkbewegung um eine Hochachse (z-Achse) der Wagenkästen zueinander zu. Ein solches Gelenk kann als Schwenk-Gelenk SG bezeichnet werden. Es ist stets dann an einem Ende eines Laufwerk-Wagenkastens LWK als Gelenkverbindung zu einem Mittel-Wagenkasten MWK erforderlich, wenn sich der Laufwerk-Wagenkasten LWK nur auf ein Laufwerk abstützt, welches allein keine ausreichende Nickabstützung gewährleisten kann und auch keine weitere Abstützung des Laufwerk-Wagenkastens LWK über ein weiteres Gelenk unmittelbar auf einen direkt benachbarten Laufwerk-Wagenkasten LWK erfolgt.
      Auch für ein solches Schwenk-Gelenk SG ist in Figur 1 eine häufig anzutreffende Ausführungsform prinzipiell dargestellt. Auch hier ist im Bereich des Fußbodens der Wagenkästen ein sphärisches Lager 1 angeordnet, welches allein wohl Verschiebungen der Wagenkästen zueinander verhindert, nicht aber Drehbewegungen um irgendeine Achse. Dazu wird in der Regel im Dachbereich des Fahrzeuges ein weiteres Lager vorgesehen. Für dieses Dachlager 3 kommt vorzugsweise ebenfalls ein sphärisches Lager zum Einsatz. Ein derart ausgebildetes Wagenkastengelenk verfügt nun nur noch über einen Freiheitsgrad. Die mittels dieses Gelenkes gekoppelten Wagenkästen können nur noch Schwenkbewegungen um eine Hochachse (Schwenkachse 4) ausführen, wobei diese Schwenkachse 4 durch die Verbindungslinie zwischen den Drehmittelpunkten der beiden Lager 1 und 3 im Fußboden- bzw. im Dachbereich repräsentiert wird.
      Auch für ein Schwenk-Gelenk SG sind weitere Ausführungsformen bekannt. Beispielsweise stellt der schon erwähnte horizontal liegende Kugeldrehkranz im Fußbodenbereich der Wagenkästen allein eine mögliche Ausführungsform für ein Schwenk-Gelenk SG dar. Er bindet fünf Freiheitsgrade und lässt nur Schwenkbewegungen um eine senkrechte Achse (z-Achse) zu.
      Werden nun ein oder auch beide Schwenk-Nick-Gelenke SNG am Mittel-Wagenkasten MWK durch Schwenk-Gelenke SG ersetzt um benachbarte Laufwerk-Wagenkästen LWK hinsichtlich Nicken abzustützen, ändert sich an der statischen Überbestimmtheit hinsichtlich der Wankabstützung des Mittel-Wagenkastens MWK nichts. Umverteilung der Radaufstandskraft und Torsionsbeanspruchung der Wagenkästen beim Befahren von Fahrbahnverwindungen bleiben unverändert. Die Bindung zusätzlicher Freiheitsgrade in den Wagenkastengelenken ist nur für die Nickabstützung der Laufwerk-Wagenkästen LWK von Bedeutung.
    3. 3. Um die Umverteilung der Radaufstandskraft und Torsion des Wagenkastens als Folge der statischen Überbestimmtheit hinsichtlich Wankabstützung der Mittel-Wagenkästen MWK zu reduzieren, ist es sinnvoll und bekannt, in einem der Gelenke, die den Mittel-Wagenkasten MWK auf benachbarte Laufwerk-Wagenkästen LWK abstützen, Wankbewegungen zwischen den Wagenkästen zuzulassen. Dieses eine Gelenk bindet also einen Freiheitsgrad weniger. Der Mittel-Wagenkasten MWK stützt sich nun hinsichtlich Wanken nur auf einen der beiden benachbarten Wagenkästen über das jeweils andere Gelenk ab, also statisch bestimmt.
      Das zuvor genannte Schwenk-Nick-Gelenk SNG wird nun in seiner Funktionsweise entsprechend verändert. Wankbewegungen der Wagenkästen zueinander werden jetzt zugelassen und ein solches Gelenk kann als Schwenk-Nick-Wank-Gelenk SNWG bezeichnet werden. Es bindet tatsächlich nur noch drei Freiheitsgrade, nämlich die drei möglichen Verschieberichtungen der Wagenkästen zueinander. Drehbewegungen der Wagenkästen zueinander um jede der drei möglichen Achsen sind im Schwenk-Nick-Wank-Gelenk SNWG ausführbar.
      Als mögliche Ausführungsform lässt sich ein solches Schwenk-Nick-Wank-Gelenk SNWG aus einem Schwenk-Nick-Gelenk SNG mit sphärischem Lager im Fußbodenbereich leicht erstellen. Dazu wird die Querkoppelstange 2 im Dachbereich entfernt.
      Soll für das Schwenk-Nick-Wank-Gelenk SNWG als weitere Ausführungsform beispielsweise ein Kugeldrehkranz im Fußbodenbereich eingesetzt werden, so müsste dieser kardanisch gelagert zwischen den beiden Wagenkästen montiert sein.
    4. 4. Die vierte bekannte prinzipielle Gelenkausführung hinsichtlich ihrer Wirkungsweise ist abgeleitet aus dem Schwenk-Gelenk SG. Dazu wird auch zu dieser Gelenkausführung ein Freiheitsgrad hinzugefügt. Es ist nun möglich, dass die über ein solches Gelenk verbundenen Wagenkästen zueinander nicht nur Schwenkbewegungen um eine senkrechte Achse (z-Achse) ausführen können sondern auch Wankbewegungen um eine Längsachse (x-Achse). Ein solches Gelenk kann als Schwenk-Wank-Gelenk SWG bezeichnet werden.
      Mögliche und bekannte Ausführungsformen für ein Schwenk-Wank-Gelenk SWG sind in den Figuren 2 bis 4 schematisch dargestellt, wobei hier nur die Lagerausführung im Dachbereich als Einzelheit gezeigt wird. Im Bereich des Wagenkastenbodens bleibt das sphärische Lager 1, wie es bei den Fahrzeuggelenken entsprechend Figur 1 zur Anwendung kommt, erhalten.
      Bei der Ausführungsform gemäß Figur 2 wird der Freiheitsgrad für das Wanken erzielt, indem das Dachlager 3 in einer Lagerkonsole 6 querverschiebbar angeordnet ist. Diese Querverschiebbarkeit des Dachlagers 3 in einer Lagerkonsole 6 wird hier durch die Aufnahme dieses Dachlagers 3 in einem quer angeordnetem Langloch 5 erreicht.
      Eine weitere Gestaltungsmöglichkeit bietet sich durch eine querverschiebbar am Wagenkasten angeordnete Lagerkonsole 6. Wie Figur 3 zeigt, ist die Lagerkonsole 6 zum Erzielen der gewünschten Querverschiebbarkeit am Wagenkasten mittels Schiebesitzen 7 montiert.
      Figur 4 verdeutlicht eine weitere Ausführungsform für ein Schwenk-Wank-Gelenk SWG. Das bisher übliche Dachlager 3 ist hier praktisch auf zwei Lager mit einem Längsabstand aufgeteilt. Verbunden werden diese beiden Lager durch den Längslenker 8.
      Auch mittels Kugeldrehkranz im Fußbodenbereich lässt sich ein Schwenk-Wank-Gelenk SWG darstellen. Einer der beiden durch das Gelenk verbundenen Wagenkästen müsste sich gelenkig zum Kugeldrehkranz hin abstützen, wobei die Drehachse dieser gelenkigen Abstützung in Längsrichtung verlaufen muss.
  • Das Zulassen von Wankbewegungen der Wagenkästen zueinander in einem den Mittel-Wagenkasten MWK stützendem Gelenk hat einige nicht unerhebliche Nachteile. Der Mittel-Wagenkasten MWK kann sich hinsichtlich Wanken nur über das jeweils andere Gelenk auf einen Laufwerk-Wagenkasten LWK abstützen. Dadurch sind die Reaktionskräfte aus Fliehkraft, Windlast und Wankdynamik an diesem Laufwerk-Wagenkasten LWK deutlich höher, als wenn sich der Mittel-Wagenkasten MWK auf beide benachbarten Laufwerk-Wagenkästen LWK abstützen würde. Hinsichtlich Wankdynamik stellt der Einsatz eines Gelenkwankdämpfers 16 im Wagenkastengelenk, welches Wankbewegungen der Wagenkästen zueinander ermöglicht, einen bekannten Lösungsansatz dar, um die Problematik besser zu beherrschen. Ein solcher Gelenkwankdämpfer 16 kann als hydraulischer Dämpfer ausgeführt sein, der im Wagenkastengelenk die beiden benachbarten Wagenkästen im Dachbereich miteinander verbindet. Beim Befahren von Fahrbahnverwindungen baut ein solcher Dämpfer in Abhängigkeit von der Fahrgeschwindigkeit und der Verwindungssteilheit der Fahrbahnverwindung aber wiederum Torsionsbeanspruchungen in der Wagenkastenstruktur auf und erzeugt eine Umverteilung von Radaufstandskräften.
  • Beim Befahren von Fahrbahnverwindungen müsste der gesamte Verwindungswinkel, der sich über den Längsabstand beider Stützbasen der den Mittel-Wagenkasten MWK tragenden Laufwerk-Wagenkästen LWK ergibt, in einem Gelenk aufgenommen werden, sollte aus der Fahrbahnverwindung keine Torsionsbeanspruchung der Wagenkastenstruktur und keine Umverteilung der Radaufstandskraft resultieren. Dieser Verwindungswinkel ist aber oft größer als der mögliche Wankwinkel der Wagenkästen in einem Gelenk zueinander. Begrenzend wirkt meist die Fähigkeit des im Wagenkastenübergang eingesetzten Faltenbalges, Schubbewegungen zu ermöglichen. Auch die möglichen Ausführungen der Fußbodengestaltung im Bereich des Wagenkastengelenkes setzen oft enge Grenzen hinsichtlich der Wankwinkel von Wagenkästen zueinander. Daher muss in aller Regel der Wankwinkel der benachbarten Wagenkästen zueinander im Wagenkastengelenk durch geeignete Maßnahmen begrenzt werden. Solche Maßnahmen können beispielsweise wankbegrenzende Puffer und/oder Anschläge im Wagenkastengelenk sein. Auch der zuvor genannte Gelenkwankdämpfer 16 kann wankwinkelbegrenzend wirken, wenn sein Hub entsprechend dimensioniert wird. Wird der Gelenkwankwinkel begrenzt, tritt jedoch wieder Torsionsbeanspruchung der Wagenkastenstruktur und Radaufstandskraftumverteilung auf, sobald der Verwindungswinkel größer wird als der zugelassene Gelenkwankwinkel.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die genannten Nachteile zu beheben, die sich ergeben, wenn keines oder nur eines der beiden den Mittel-Wagenkasten MWK stützenden Gelenke Wankbewegungen der benachbarten Wagenkästen zueinander zulässt. Es soll ein Fahrzeug der gattungsgemäßen Art so ausgebildet werden, dass es Fahrbahnverwindungen befahren kann, ohne Torsionsbeanspruchungen der Wagenkastenstruktur und Umverteilungen der Radlast über einen Mittel-Wagenkasten MWK hin aufzubauen, und dass es die Abstützung des Mittel-Wagenkastens MWK hinsichtlich Wanken über beide benachbarten Laufwerk-Wagenkästen LWK in gewünschter Verteilung ermöglicht.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
  • Durch die Verkopplung der Wankbewegungen in beiden Gelenken kann erreicht werden, dass der Mittelwagenkasten MWK sich hinsichtlich Wanken auf beide benachbarten Laufwerk-Wagenkästen LWK abstützt.
  • In den Figuren 5 und 10 ist eine prinzipielle Ausführungsform für die Verkopplung der Wankbewegungen der Wagenkästen zueinander in den Gelenken, die einen Mittel-Wagenkasten MWK stützen, dargestellt. Zunächst wird in beiden Gelenken die Wankbewegung der jeweiligen Wagenkästen zueinander zugelassen, indem Schwenk-Wank-Gelenke SWG bzw. Schwenk-Nick-Wank-Gelenke SNWG eingesetzt werden. Diese sind als solche bereits bekannt, z. B. aus den Figuren 2 und 3. Ohne weitere Maßnahme wäre der Mittel-Wagenkasten MWK nun hinsichtlich Wanken nicht abgestützt. Er würde seitlich kippen. Daher müssen nun die jeweiligen Wankbewegungen der Wagenkästen zueinander in den beiden den Mittel-Wagenkasten MWK stützenden Gelenken untereinander verkoppelt werden. Nach Figur 5 und 10 kann dies beispielhaft so erfolgen, dass an den Laufwerk-Wagenkästen LWK jeweils eine von der Art her vom Schwenk-Nickgelenk SNG bekannte Querkoppelstange 2 montiert wird. Seitens des Mittel-Wagenkastens MWK wird diese Querkoppelstange 2 jedoch nicht direkt am Wagenkasten montiert, sondern sie greift an einem Winkelhebel 9 an, der seinerseits in einem Winkelhebel-Lager 10 am Mittel-Wagenkasten MWK um eine senkrechte Achse drehbar gelagert ist. Eine Wankbewegung der Wagenkästen zueinander im Gelenk führt somit zu einer Drehbewegung des Winkelhebels 9 um die Hochachse im Winkelhebel-Lager 10. Der Drehwinkel des Winkelhebels 9 ist ein Maß für den Wankwinkel der Wagenkästen zueinander. Dieser Drehwinkel wird unter anderem durch die Längen l 1 bzw. l 2 der Winkelhebel 9 bestimmt. Werden die Winkelhebel 9 in ihrer Drehbewegung gekoppelt, so sind auch die Wankwinkel der Wagenkästen zueinander in den beiden Gelenken gekoppelt. Für diese Kopplung werden Koppelelemente 11 eingesetzt. Werden Winkelhebel 9 verwendet, wie in Figur 5 dargestellt, die in Fahrzeugquerrichtung über zwei von ihrem Winkelhebel-Lager 10 ausgehende Schenkel verfügen, können beispielsweise als Koppelelemente 11 Seile 12 Verwendung finden oder Zugstangen, die frei von Druckkräften sind. Dies kann sehr vorteilhaft sein, wenn die beiden in der Wankbewegung zu koppelnden Gelenke weit voneinander entfernt liegen und somit Knickung für die Koppelelemente 11 relevant werden könnte. Ansonsten bedarf es natürlich für jedes Gelenk jeweils nur eines einfachen Winkelhebels 9, die dann untereinander mittels einer Druck-Zug-Stange als Koppelelement 11 verbunden sind.
  • Es ist nun ein funktioneller Zusammenhang ϕ1 = fϕ(ϕ2) zwischen dem Wankwinkel ϕ1 der Wagenkästen zueinander in einem Gelenk und dem Wankwinkel im anderen Gelenk hergestellt. Da über die Struktur des Mittel-Wagenkastens MWK keine Torsionsbeanspruchung um seine Längsachse von einem ihn stützenden Laufwerk-Wagenkasten LWK zum anderen ihn stützenden Laufwerk-Wagenkasten LWK mehr übertragen wird und somit der Mittel-Wagenkasten MWK auch nicht um seine Längsachse verdreht wird, entspricht die Summe der beiden Wankwinkel ϕ1 und ϕ2 in den beiden den Mittel-Wagenkasten MWK stützenden Gelenken dem Wankwinkel ϕ, der sich bedingt durch Verwindung der Fahrbahn zwischen den beiden stützenden Laufwerk-Wagenkästen LWK einstellt. Neben dem funktionellen Zusammenhang ϕ1 = ƒ ϕ(ϕ2) ist also auch eine zweite Bedingung ϕ = ϕ1 + ϕ2 gegeben, so dass beide Winkel in ihrer Größe statisch bestimmt definiert sind.
  • Auf den Mittel-Wagenkasten MWK wirken im Betrieb Querkräfte, die zum Beispiel aus Fliehkräften bei Bogenfahrt und/oder aus Windlasten resultieren. Diese müssen von den Gelenken, die den Mittel-Wagenkasten MWK stützen, auf die Laufwerk-Wagenkästen LWK übertragen werden. Dies erfolgt zunächst über die im Fußbodenbereich angeordneten Lagerelemente (z. B. sphärisches Lager 1). Da jedoch die Wirkungslinie der Querkräfte in aller Regel oberhalb dieser Lagerelemente liegt, entsteht am Mittel-Wagenkasten MWK ein Kippmoment um die Längsachse - das Wankmoment Mw. Daher müssen in den Gelenken entsprechende Wankstützmomente übertragen werden, wobei gilt, dass die Summe aus dem Wankstützmoment M W1 in einem Gelenk und dem Wankstützmoment M W2 im anderen Gelenk dem Wankmoment MW entspricht (MW = M W1 + M W2). Die Wankkopplung der beiden den Mittel-Wagenkasten MWK stützenden Gelenke erzeugt nicht nur einen funktionellen Zusammenhang für die im Gelenk auftretenden Wankwinkel der jeweiligen Wagenkästen zueinander, sondern sie führt ebenso zu einem funktionellen Zusammenhang M W1 = ƒM (M W2) zwischen dem Wankstützmoment M W1 in einem Gelenk und dem Wankstützmoment M W2 im anderen Gelenk. In Analogie zu den Wankwinkeln sind für die beiden Wankstützmomente also ebenfalls zwei Bedingungen gegeben, so dass auch die Wankstützmomente statisch bestimmt definiert sind. Der funktionelle Zusammenhang ƒM () für die Wankstützmomente stellt die Umkehrfunktion des funktionellen Zusammenhanges ƒ ϕ() für Wankwinkel dar (ƒϕ () = ƒM -1()). Dies gilt solange, wie keine weiteren über die hier beschriebenen Koppelelemente für die Wankbewegung der Wagenkästen zueinander in den Gelenken hinausgehende Wank-Koppelelemente in den Gelenken wie beispielsweise Dämpfer, Federelemente, Puffer und/oder Anschläge wirksam werden.
  • Bei der Auslegung der funktionellen Zusammenhänge für die Wankwinkel bzw. die Wankstützmomente ist die Wahl eines stetigen Funktionsverlaufes von Vorteil. Unstetigkeiten in Bewegungsabläufen erzeugen Beschleunigungsspitzen, die ihrerseits zu einem hohen dynamischen Kraftniveau führen. Auch sollte sinnvoller Weise eine stetig steigende Funktion gewählt werden. Ein fallender Funktionsverlauf würde bedeuten, dass in einem Gelenk sich ein größerer Wankwinkel einstellen würde, als er sich aufgrund der Fahrbahnverwindung zwischen den beiden den Mittel-Wagenkasten MWK stützenden Laufwerk-Wagenkästen LWK einstellt. Die beiden Wankstützmomente in den beiden Gelenken würden gegeneinander wirken. Ein stetig fallender Verlauf für den herzustellenden funktionellen Zusammenhang wäre also hinsichtlich Wankabstützung des Mittel-Wagenkastens MWK äußerst ungünstig. Auch würde das Hüllprofil des Fahrzeuges zunehmen. Wenn im Extremfall ein solch ungünstiger funktioneller Zusammenhang ϕ1 = -ϕ2 lauten würde, wäre eine Wankabstützung überhaupt nicht mehr gewährleistet. Der Mittel-Wagenkasten MWK würde umkippen. Konstruktiv wäre eine solche unsinnige Ausführungsform beispielsweise vorstellbar, wenn die beiden in Figur 5 als Zugstangen über den Mittel-Wagenkasten MWK geführten Koppelelemente 11 gekreuzt würden und für den Extremfall die beiden Winkelhebel 9 gleiche Schenkellängen l 1 und l 2 aufweisen würden.
  • Sind in Figur 5 die Schenkellängen der Winkelhebel 9 und die Längen der Querkoppelstangen 2 hinreichend groß im Verhältnis zu den Drehwinkeln, die die Winkelhebel 9 in ihren Winkelhebel-Lagern 10 ausführen, so kann mit guter Näherung von einem linearen Zusammenhang für ϕ1 und ϕ2 ausgegangen werden. Die beiden Winkel und die beiden Wankstützmomente sind jeweils proportional zueinander. Im Ausführungsbeispiel nach Figur 5 würden sich die funktionellen Zusammenhänge für die Wankwinkel mit der Gleichung ϕ 1 = l 1 l 2 ⁢ ϕ 2
    Figure imgb0001
    und für die Wankstützmomente mit der Gleichung M W ⁢ 1 = l 2 l 1 ⁢ M W ⁢ 2
    Figure imgb0002
    darstellen lassen. Sind beispielsweise die Hebelverhältnisse an den Winkelhebeln 9 in beiden den Mittel-Wagenkasten MWK stützenden Gelenken gleich (l 1 = l 2), ergeben sich in beiden Gelenken gleiche Wankwinkel der jeweiligen Wagenkästen zueinander und gleiche Wankstützmomente.
  • In Figur 6 ist eine weitere Ausgestaltungsmöglichkeit für die konstruktive Umsetzung der funktionellen Zusammenhänge zwischen den Wankwinkeln der jeweiligen Wagenkästen zueinander und der Wankstützmomente in den beiden einen Mittel-Wagenkasten MWK stützenden Gelenken gezeigt. Hier sind der aus Figur 4 bekannte Längslenker 8 eines Schwenk-Wank-Gelenkes SWG und der aus Figur 5 bekannte Winkelhebel 9 zu einem Bauteil vereint. Als Koppelelemente 11 können auch hier wieder Zug- bzw. Zug-Druck-Stangen eingesetzt werden oder aber auch Seile 12, bei denen gegebenenfalls auch der Einsatz von Führungsrollen 13 zur Ablenkung der Seilrichtung in Erwägung gezogen werden kann. Dies könnte dann zweckmäßig sein, wenn beispielsweise der Dachaufbau des Fahrzeuges eine einfache geradlinige Anordnung der Koppelelemente 11 erschwert. Außerdem könnte - wie in Figur 7 gezeigt - bei Verwendung von Seilen 12 und dem Einsatz von Führungsrollen 13 sogar auf die Querkoppelstange 2 und den Winkelhebel 9 verzichtet werden. Schließlich sind anstelle der Seile 12 und gegebenenfalls der Führungsrollen 13 auch Bowdenzüge einsetzbar.
  • Neben mechanisch wirkenden Mitteln zur Erzeugung der funktionellen Zusammenhänge zwischen den beiden Wankwinkeln ϕ1 und ϕ2 der Wagenkästen zueinander und zwischen den beiden Wankstützmomenten M W1 und M W2 können auch hydraulische Mittel eingesetzt werden. Eine solche Möglichkeit ist in Figur 8 dargestellt. Eine Wankbewegung der Wagenkästen zueinander wird in eine Kolbenbewegung an einem Hydraulikzylinder 14 umgesetzt. Die dabei aus dem Hydraulikzylinder 14 verdrängte Ölmenge wird mittels Hydraulikleitungen 15 zu einem weiteren Hydraulikzylinder 14 geleitet, der dem anderen Wagenkastengelenk des Mittel-Wagenkastens MWK zugeordnet ist. In der Folge wird nun an diesem Hydraulikzylinder 14 eine Kolbenbewegung ausgelöst, die ihrerseits zu einem Wankwinkel der an diesem Gelenk verbundenen Wagenkästen zueinander führt. Somit sind die funktionellen Zusammenhänge zwischen den beiden Wankwinkeln ϕ1 und ϕ2 der Wagenkästen zueinander und zwischen den beiden Wankstützmomenten M W1 und M W2 hergestellt. Bei dieser hydraulisch wirkenden Ausgestaltung der Erfindung lässt sich der funktionelle Zusammenhang außer über Hebelverhältnisse auch über die Größe der Kolbenflächen der Hydraulikzylinder 14 beeinflussen. Vorzugsweise sollten für die Hydraulikzylinder 14 Gleichlaufzylinder zur Anwendung kommen.
  • Die bisher beschriebenen Ausführungsformen erlauben es dem Fahrzeug, jeder Fahrbahnverwindung vollständig zu folgen. Torsionsbeanspruchungen um die Längsachse müssen daher vom Mittel-Wagenkasten MWK, nicht von einem Laufwerk-Wagenkasten LWK zum anderen übertragen werden. Um für bestimmte Fahrbahnzustände, wie etwa für einseitige Höhenfehler der Fahrbahn, dafür zu sorgen, dass das Fahrzeug nicht zu sehr der fehlerhaften Fahrbahn mit Wankbewegungen folgt, kann es sinnvoll sein, die Wankbewegungen der Wagenkästen zueinander in den Gelenken mittels Gelenkwankdämpfern 16 zu bedämpfen. Dynamisch stützen sich dann die Laufwerk-Wagenkästen LWK gegenseitig über den dazwischen angeordneten Mittel-Wagenkasten MWK. Allerdings wird so wieder eine der Dämpfkraft entsprechende Torsionsbeanspruchung der Wagenkastenstruktur sowie eine entsprechende Umverteilung der Radaufstandskräfte verursacht. Andererseits bietet sich auf diese Weise die Möglichkeit, das Wankverhalten des Fahrzeuges zumindest bis zu einem bestimmten Grad zu bedämpfen, ohne die Bedämpfung der Vertikalfederung zu beeinflussen. Neben der in aller Regel üblichen Anordnung eines hydraulischen Gelenkwankdämpfers 16 im Dachbereich quer zwischen den beiden im Gelenk miteinander verbundenen Wagenkästen (etwa so, wie die Hydraulikzylinder 14 in Figur 8), sind für die Anordnung eines Dämpfers bei wankgekoppelten Gelenken durch das Vorhandensein der Koppelelemente vielfältige Möglichkeiten gegeben. Bauraumprobleme sind somit einfacher zu lösen. Die Dämpfkraft kann an einem beliebigen an der Wankkopplung der Gelenke beteiligten Bauteil angreifen. Beispielsweise kann ein Gelenkwankdämpfer 16 am Winkelhebel 9 montiert sein, wie es in Figur 9 prinzipiell gezeigt ist. Bedingt durch den funktionellen Zusammenhang zwischen den jeweiligen Wankwinkeln der Wagenkästen zueinander in den Wagenkastengelenken ist ein einziger Dämpfer erforderlich, um die Wankbewegung in beiden Gelenken zu bedämpfen. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Figur 8, bei dem die funktionellen Zusammenhänge zwischen den beiden Wankwinkel ϕ1 und ϕ2 der Wagenkästen zueinander und zwischen den beiden Wankstützmomenten M W1 und M W2 durch hydraulische Mittel erzeugt werden, lässt sich die Dämpfung direkt in die Hydraulik integrieren, indem in den Hydraulikleitungen 15 Drosselventile vorgesehen werden bzw. diese Hydraulikleitungen 15 selbst durch entsprechende Querschnittswahl aufgrund der so definierbaren Strömungswiderstände dämpfend wirken.
  • Die für den Übergang von einem Wagenkasten zum anderen im Bereich der Wagenkastengelenke eingesetzten Faltenbälge sind häufig bezüglich der Schubverformung nur relativ gering beanspruchbar. Auch ist oft die Ausführung des Fußbodens im Gelenkbereich nur für geringe Wankwinkel der im Gelenk verbundenen Wagenkästen zueinander geeignet. Sollten daher oder aus anderen Gründen Einschränkungen hinsichtlich der möglichen Wankwinkel der Wagenkästen zueinander in einem oder beiden den Mittelwagenkasten MWK stützenden Gelenken bestehen, kann es sinnvoll sein, eine Begrenzung der Wankwinkel der im Gelenk verbundenen Wagenkästen zueinander vorzunehmen. Dies kann ähnlich wie bei der Anordnung von Gelenkwankdämpfern 16 auch dadurch erfolgen, dass Begrenzungselemente über ein beliebiges an der Wankkopplung der Gelenke beteiligten Bauteile wirken. In Figur 9 ist beispielhaft eine mögliche Anordnung von wankwinkelbegrenzenden Puffern 17 dargestellt, die die Bewegungen des Winkelhebels 9 begrenzen und somit auch die Wankwinkel der im Gelenk verbundenen Wagenkästen zueinander. Wegen des funktionellen Zusammenhanges zwischen den jeweiligen Wankwinkeln der Wagenkästen zueinander in den beiden Wagenkastengelenken des Mittel-Wagenkastens MWK ist es auch hier ausreichend, diese Wankwinkelbegrenzung nur einmal je Mittel-Wagenkasten MWK auszuführen. Anstelle der in Figur 9 dargestellten Puffer 17 können auch Anschläge oder Federapparate zum Einsatz kommen. Anschläge erzeugen diskontinuierliche Kennlinienverläufe und somit Kraftspitzen und stellen daher in der Regel nicht die optimale Lösung dar. Jede Wankwinkelbegrenzung führt mit ihrem Wirken wieder zum Aufbau von Torsionsbeanspruchungen über die Struktur des Mittel-Wagenkastens MWK hinweg und demzufolge auch wieder zur Umverteilung von Radaufstandskräften. Greifen beispielsweise anstelle der in Figur 9 gezeigten Puffer 17 Federapparate am Winkelhebel 9 an, so wirken diese auch bereits bei kleinen Fahrbahnverwindungen und erzeugen auch bei kleinen Fahrbahnverwindungen entsprechend ihrer Federsteifigkeit Torsionsbelastungen und eine Umverteilung der Radaufstandskraft.
  • Eine Wankwinkelbegrenzung der Wagenkästen zueinander in den beiden Wagenkastengelenken des Mittel-Wagenkastens MWK kann bei einer hydraulischen Anordnung beispielsweise nach Figur 8 auch dadurch erzielt werden, indem der Hub der Hydraulikzylinder 14 entsprechend begrenzt wird, gegebenenfalls auch durch elastisch wirkende Hubbegrenzungselemente.

Claims (9)

  1. Fahrzeug, insbesondere spurgeführtes Fahrzeug, bestehend aus mindestens drei gelenkig miteinander verbundenen Wagenkästen, von denen sich mindesten ein Mittel-Wagenkasten (MWK) nicht auf ein oder mehrere Laufwerke abstützt sondern über Wagenkastengelenke auf die beiden ihm benachbarten Laufwerk-Wagenkästen (LWK), die sich ihrerseits jeweils auf mindestens ein Laufwerk abstützen, dadurch gekennzeichnet, dass beide den Mittel-Wagenkasten (MWK) stützenden Gelenke Wankbewegungen um eine Längsachse (x-Achse) der im jeweiligen Gelenk verbundenen Wagenkästen zueinander zulassen, dass die Wankbewegungen der Wagenkästen zueinander in den beiden Gelenken derart miteinander verkoppelt sind, dass der erste Wankwinkel ϕ1 der Wagenkästen zueinander in dem einen Schwenk-Wank-Gelenk (SWG*) und der zweite Wankwinkel ϕ2 der Wagenkästen zueinander in dem anderen Schwenk-Nick-Wank-Gelenk (SNWG*) in einem funktionellen Zusammenhang ϕ1 = ƒ ϕ(ϕ2) stehen, und dass der Mittel-Wagenkasten (MWK) sich hinsichtlich Wanken über beide Gelenke auf beide benachbarten Laufwerk-Wagenkästen (LWK) abstützt, wobei das erste Wankstützmoment M W1 in dem einen Gelenk (SWG*) und das zweite Wankstützmoment M W2 in dem anderen Gelenk (SNWG*) in einem funktionellen Zusammenhang M W1 = ƒM (M W2) stehen.
  2. Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der funktionelle Zusammenhang ƒM () für die Wankstützmomente die Umkehrfunktion des funktionellen Zusammenhanges ƒ ϕ() für die Wankwinkel der Wagenkästen zueinander darstellt (ƒϕ () = ƒM -1()).
  3. Fahrzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der funktionelle Zusammenhang ϕ1 = ƒ ϕ(ϕ2) für die beiden Wankwinkel der Wagenkästen zueinander eine stetig steigende Funktion darstellt.
  4. Fahrzeug nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der funktionelle Zusammenhang ϕ1 = ƒ ϕ(ϕ2) für die beiden Wankwinkel der Wagenkästen zueinander eine lineare Funktion darstellt und somit die beiden Wankwinkel ϕ1 und ϕ2 zwischen den jeweiligen Wagenkästen entsprechend der Gleichung ϕ1 = k ∗ ϕ2 zueinander proportional sind, wobei k der Proportionalitätsfaktor ist.
  5. Fahrzeug nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Proportionalitätsfaktor den Wert k = 1 annimmt.
  6. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die funktionellen Zusammenhänge zwischen den beiden Wankwinkeln ϕ1 und ϕ2 der Wagenkästen zueinander und zwischen den beiden Wankstützmomenten M W1 und M W2 durch mechanische Mittel erzeugt werden.
  7. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die funktionellen Zusammenhänge zwischen den beiden Wankwinkeln ϕ1 und ϕ2 der Wagenkästen zueinander und zwischen den beiden Wankstützmomenten M W1 und M W2 durch hydraulische Mittel erzeugt werden.
  8. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wankbewegung der Wagenkästen zueinander in beiden den Mittel-Wagenkasten (MWK) stützenden Gelenken bedämpft sind.
  9. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wankwinkel ϕ1 und ϕ2 der Wagenkästen zueinander in beiden den Mittel-Wagenkasten (MWK) stützenden Gelenken begrenzt sind.
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