EP2038156A2 - Schienenfahrzeug - Google Patents

Schienenfahrzeug

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Publication number
EP2038156A2
EP2038156A2 EP07764372A EP07764372A EP2038156A2 EP 2038156 A2 EP2038156 A2 EP 2038156A2 EP 07764372 A EP07764372 A EP 07764372A EP 07764372 A EP07764372 A EP 07764372A EP 2038156 A2 EP2038156 A2 EP 2038156A2
Authority
EP
European Patent Office
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wheel
rail vehicle
steering
actuator
vehicle according
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP07764372A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Michael Walter
Phillip Schlautmann
Jörg WALLASCHEK
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.)
Universitaet Paderborn
Original Assignee
Universitaet Paderborn
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Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current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
    • B61F3/00—Types of bogies
    • B61F3/16—Types of bogies with a separate axle for each wheel
    • 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
    • B61F5/38—Arrangements or devices for adjusting or allowing self- adjustment of wheel axles or bogies when rounding curves, e.g. sliding axles, swinging axles
    • 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
    • B61F5/38—Arrangements or devices for adjusting or allowing self- adjustment of wheel axles or bogies when rounding curves, e.g. sliding axles, swinging axles
    • B61F5/386—Arrangements or devices for adjusting or allowing self- adjustment of wheel axles or bogies when rounding curves, e.g. sliding axles, swinging axles fluid actuated
    • 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
    • B61F5/38—Arrangements or devices for adjusting or allowing self- adjustment of wheel axles or bogies when rounding curves, e.g. sliding axles, swinging axles
    • B61F5/46—Adjustment controlled by a sliding axle under the same vehicle underframe

Definitions

  • the invention relates to a rail vehicle with a chassis that has arranged on axle carrier individual wheels, which are each mounted pivotably about a vertical steering axis in the horizontal direction, with a respective steering wheels associated with the steering actuator for setting a predetermined steering angle about the vertical steering axis.
  • a rail vehicle with a chassis which has axle holders with individual wheels, which are each mounted pivotably about a vertical steering axis in the horizontal direction.
  • the wheels cooperate with a steering actuator, so that the wheels can be adjusted while driving according to a predetermined steering angle.
  • the rail vehicle has a Einzelradfahrtechnik and can be actively steered by applying the wheels through the steering actuator.
  • a disadvantage of the known rail vehicle is that the tracking and steering is not reliably ensured when driving on bends or passive switches and can lead to derailment of rail vehicles under unfavorable conditions.
  • Object of the present invention is therefore to develop a rail vehicle such that a secure, reliable and robust tracking of the same is ensured.
  • the invention is achieved in conjunction with the preamble of claim 1, characterized in that the wheels of the axle are each mounted in the vertical direction pivotable about a horizontal camber axis and acted upon by a fall actuator for setting a predetermined camber angle.
  • the particular advantage of the invention is that a reliable and robust tracking and steering is made possible, which is independent of the coefficient of friction of a wheel-rail contact point. If, for example, the coefficient of friction drops due to weather conditions, such as ice or leaves on the rails, the vehicle speed in the curve does not have to be reduced.
  • the basic idea of the invention is to decouple the dependence of the tracking forces on the friction. According to the invention, this is done by changing the camber of the wheels or tilting them laterally relative to the vehicle's longitudinal axis.
  • a fall actuator is controlled such that the wheel is in a middle position or fall position in which only normal forces are transmitted in Radaufstandsyak.
  • the wheel is thus inclined laterally, that no frictional force acts in the transverse direction.
  • lateral accelerations occurring during cornering can be fully supported via profile lateral forces.
  • the wear in the wheel-rail contact point can be reduced. Slip freedom in the transverse direction can be ensured.
  • the wheel is mounted on a four-bar chain in the chassis.
  • this unwanted movements of the chassis can be avoided.
  • the distance between a current pole and the wheel-rail contact point (Radauf- point) is kept low.
  • the wheel is mounted by means of a steering knuckle in the chassis.
  • a fixed camber axle may be provided per wheel, which extends perpendicular to the steering axis and parallel to the vehicle longitudinal direction.
  • the camber axis can also be changed depending on the camber angle.
  • the wheel is coupled via wishbones with an axle.
  • FIG. 1a is a schematic vertical section through a chassis of a rail vehicle according to a first embodiment
  • FIG. 1b a horizontal section through the chassis according to the first embodiment
  • FIG. 2a shows a schematic vertical section through a chassis according to a second embodiment
  • Figure 2b a horizontal section through the chassis of the second embodiment
  • Figure 3 a schematic representation of a fall position of the wheel.
  • a rail vehicle is moved by a not shown drive and / or brake unit in the vehicle longitudinal direction (transversely to the sheet plane of Figure Ia) under rolling wheels 1 on the rails 4.
  • the wheels 1 are part of a chassis 2, which is arranged in a carriage body, not shown.
  • the chassis 2 includes elongated axle 3, at the opposite end portions of the wheels 1 are each stored individually.
  • a steering actuator 5 For setting a predetermined steering angle CXL about a vertical steering axis V, a steering actuator 5 is provided. Of the Lenkaktor 5 is mounted between a Achsarm 6 and the wheel hub, not shown, and mounted in the wheel 1. The vertical steering axis V extends in a middle radial plane MR of the wheel 1.
  • the steering actuator 5 is controlled by means of a control unit, not shown, such that the wheels 1 of an axle carrier 3 are adjusted according to such a steering angle ⁇ X L , that the wheels 1 are moved along a given by the rails 4 curve radius r.
  • a fall actuator 7 is provided, which is mounted between an axle arm 8 and the axle carrier 3.
  • the wheel 1 is pivotable about a fixed horizontal camber axis S, which runs in a vertical height, which is arranged below a horizontal axial plane of the wheel 1.
  • the fall actuator 7 engages above the horizontal axial plane of the wheel 1.
  • the camber axis S is arranged perpendicular to the vertical longitudinal axis V and in the vehicle longitudinal direction.
  • the horizontal camber axis S and the vertical longitudinal axis V intersect in the middle radial plane MR of the wheel 1.
  • the fall actuator 7 is controlled by means of a control unit, not shown, such that the wheel 1 is pivoted laterally out of the middle position into a fall position as a function of the longitudinal angle (XL) by the camber angle cts. finally normal forces FN are transmitted.
  • the camber angle ⁇ s of the wheel 1 corresponds to the angle (XF) resulting from the vertical force Fv and the vertical force Fv and the transverse force FQ Force FR is included.
  • the fall actuator 7 is connected to the wheel via a twin wishbone 9 of a transverse link unit 10
  • the transverse link unit 10 consists of two twin wishbones 9, 9 ', extending from a common Achsarm
  • the wheel 1 can be mounted in the chassis 2 via a four-bar chain.
  • the wheel 1 is mounted in the chassis 2 by means of a stub axle steering.
  • the vertical steering axis V preferably runs in the middle radial plane MR of the wheel 1.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
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Abstract

Schienenfahrzeug mit einem Fahrwerk, das über an Achsenträger angeordnete einzelne Räder verfügt, die jeweils in horizontaler Richtung um eine vertikale Lenkachse schwenkbar gelagert sind, mit einem jeweils den Rädern zugeordneten Lenkaktor zur Einstellung eines vorgegebenen Lenkwinkels um die vertikale Lenkachse, wobei die Räder (1) der Achse jeweils in vertikaler Richtung schwenkbar um eine horizontale Sturzachse (S) gelagert und mittels eines Sturzaktors (7) beaufschlagbar sind zur Einstellung eines vorgegebenen Sturzwinkels (a<SUB>s</SUB>).

Description

Anmelder:
Universität Paderborn Warburger Straße 100
33098 Paderborn UPBO602PCT
14.06.2007
Schienenfahrzeug
Die Erfindung betrifft ein Schienenfahrzeug mit einem Fahrwerk, das über an Achsenträger angeordnete einzelne Räder verfügt, die jeweils in horizontaler Richtung um eine vertikale Lenkachse schwenkbar gelagert sind, mit einem jeweils den Rädern zugeordneten Lenkaktor zur Einstellung eines vorgegebenen Lenkwinkels um die vertikale Lenkachse.
Aus der DE 40 40 303 Al ist ein Schienenfahrzeug mit einem Fahrwerk bekannt, das über Achsenträger mit einzelnen Rädern verfügt, die jeweils in horizontaler Richtung um eine vertikale Lenkachse schwenkbar gelagert sind. Die Räder wirken mit einem Lenkaktuator zusammen, so dass die Räder während der Fahrt entsprechend einem vorgegebenen Lenkwinkel eingestellt werden können. Das Schienenfahrzeug verfügt über ein Einzelradfahrwerk und kann durch Beaufschlagung der Räder durch den Lenkaktor aktiv gelenkt werden.
Nachteilig an dem bekannten Schienenfahrzeug ist, dass die Spurführung und Spurlenkung beim Befahren von Kurven bzw. von passiven Weichen nicht zuverlässig gewährleistet ist und bei ungünstigen Bedingungen zum Entgleisen der Schienenfahrzeuge führen kann. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Schienenfahrzeug derart weiterzubilden, dass eine sichere, zuverlässige und robuste Spurführung desselben gewährleistet ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Erfindung in Verbindung mit dem Oberbegriff von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass die Räder der Achse jeweils in vertikaler Richtung schwenkbar um eine horizontale Sturzachse gelagert und mittels eines Sturzaktors beaufschlagbar sind zur Einstellung eines vorgegebenen Sturzwinkels .
Der besondere Vorteil der Erfindung besteht darin, dass eine zuverlässige und robuste Spurführung und Spurlenkung ermöglicht wird, die unabhängig vom Reibbeiwert eines Rad- Schienen-Kontaktpunktes ist. Sinkt beispielsweise der Reibbeiwert infolge von Witterung, wie Eis oder Laub auf den Schienen, muss nicht die Fahrzeuggeschwindigkeit in der Kurve reduziert werden.
Grundgedanke der Erfindung ist es, die Abhängigkeit der Spurführungskräfte von der Reibung zu entkoppeln. Erfindungsgemäß erfolgt dies dadurch, dass der Sturz der Räder geändert wird bzw. diese seitlich zur Fahrzeuglängsachse geneigt werden. Dadurch, dass die Schienen ein balliges Querschnittsprofil aufweisen, können sich die Räder an diesem abstützen.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein Sturzaktor derart angesteuert, dass sich das Rad in einer Mittelstellung oder Sturzstellung befindet, in der im Radaufstandspunkt ausschließlich Normalkräfte übertragen werden. Das Rad wird somit derart seitlich geneigt, dass in Querrichtung keine Reibkraft wirkt. Hierdurch können bei einer Kurvenfahrt auftretende Querbeschleunigungen vollständig über Profilseitenkräfte abgestützt werden. Der Verschleiß im Rad-Schienen-Kontaktpunkt kann verringert werden. Eine Schlupffreiheit in Querrichtung kann gewährleistet werden.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist das Rad über eine Viergelenkkette in dem Fahrwerk gelagert. Vorteilhaft können hierdurch unerwünschte Bewegungen des Fahrwerks vermieden werden. Hierbei wird der Abstand zwischen einem Momentanpol und dem Rad-Schienen-Kontaktpunkt (Radauf- Standspunkt) gering gehalten.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist das Rad mittels einer Achsschenkellenkung in dem Fahrwerk gelagert.
Nach einer besonderen Ausführungsform der Erfindung kann eine feste Sturzachse pro Rad vorgesehen sein, die sich senkrecht zur Lenkachse und parallel zur Fahrzeuglängsrichtung erstreckt.
Nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung kann die Sturzachse auch in Abhängigkeit vom Sturzwinkel veränderbar sein. Hierbei ist das Rad über Querlenker mit einem Achsträger gekoppelt.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen :
Figur Ia: ein schematischer Vertikalschnitt durch ein Fahrwerk eines Schienenfahrzeugs nach einer ersten Ausführungsform,
Figur Ib: ein Horizontalschnitt durch das Fahrwerk gemäß der ersten Ausführungsform,
Figur 2a: ein schematischer Vertikalschnitt durch ein Fahrwerk nach einer zweiten Ausführungsform,
Figur 2b: ein Horizontalschnitt durch das Fahrwerk der zweiten Ausführungsform und
Figur 3: eine schematische Darstellung einer Sturzstellung des Rades .
Ein Schienenfahrzeug wird durch eine nicht dargestellte Antriebs- und/oder Bremseinheit in Fahrzeuglängsrichtung (quer zur Blattebene gemäß Figur Ia) unter Abrollen von Rädern 1 auf den Schienen 4 bewegt.
Die Räder 1 sind Bestandteil eines Fahrwerkes 2, das in einem nicht dargestellten Wagenkasten angeordnet ist.
Das Fahrwerk 2 umfasst langgestreckte Achsträger 3, an deren gegenüberliegenden Endbereichen die Räder 1 jeweils einzeln gelagert sind.
Zur Einstellung eines vorgegebenen Lenkwinkels CXL um eine vertikale Lenkachse V ist ein Lenkaktor 5 vorgesehen. Der Lenkaktor 5 ist zwischen einem Achsarm 6 und dem nicht dargestellten und in Rad 1 angebrachten Radnabe montiert. Die vertikale Lenkachse V erstreckt sich in einer mittleren Radialebene MR des Rades 1.
Der Lenkaktor 5 wird mittels einer nicht dargestellten Steuereinheit derart angesteuert, dass die Räder 1 eines Achsenträgers 3 entsprechend eines solchen Lenkwinkels <XL verstellt werden, dass die Räder 1 entlang eines durch die Schienen 4 vorgegebenen Kurvenradius r verfahren werden.
Zur Einstellung eines vorgegebenen Winkels (XF des Rades 1 ist ein Sturzaktor 7 vorgesehen, der zwischen einem Achs- arm 8 und dem Achsträger 3 angebracht ist.
Nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung gemäß den Figuren Ia und Ib ist das Rad 1 um eine feste horizontale Sturzachse S verschwenkbar, die in einer vertikalen Höhe verläuft, die unterhalb einer horizontalen Achsenebene des Rades 1 angeordnet ist. Der Sturzaktor 7 greift oberhalb der horizontalen Axialebene des Rades 1 an.
Die Sturzachse S ist senkrecht zur vertikalen Längsachse V und in Fahrzeuglängsrichtung angeordnet . Die horizontale Sturzachse S und die vertikale Längsachse V schneiden sich in der mittleren Radialebene MR des Rades 1.
Der Sturzaktor 7 wird mittels einer nicht dargestellten Steuereinheit derart angesteuert, dass das Rad 1 in Abhängigkeit von dem Längenwinkel (XL derart um den Sturzwinkel cts seitlich aus der Mittelstellung in eine Sturzstellung verschwenkt wird, dass in einem RadaufStandspunkt P aus- schließlich Normalkräfte FN übertragen werden. Wie aus der in Figur 3 dargestellten Sturzstellung des Rades 1 zu sehen ist, entspricht der Sturzwinkel αs des Rades 1 dem Winkel (XF, der zum einen durch die Vertikalkraft Fv und zum anderen durch die sich aus der Vertikalkraft Fv und der Querkraft FQ zusammengesetzten resultierenden Kraft FR eingeschlossen ist.
Der Sturzaktor 7 kann während einer Kurvenfahrt derart angesteuert sein, wobei der Sturzwinkel αs aus der Beziehung v2 tan (Xs=— berechnet wird, —wobei v der Fahrzeuggeschwin- rg digkeit, r dem Lenkradius und g der Erdbeschleunigung entsprechen.
Nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung gemäß den Figuren 2a und 2b ist der Sturzaktor 7 über einen Zwillings-Querlenker 9 einer Querlenkereinheit 10 mit dem Rad
I gelenkig verbunden. Gleiche Bauteile bzw. Bauteilfunkti- onen sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Die Querlenkereinheit 10 besteht aus zwei Zwillings- Querlenkern 9, 9', die sich von einem gemeinsamen Achsarm
II zu beiden Seiten der mittleren Radialebene MR des Rades 1 erstrecken. Bei Verstellung des Rades 1 um den Sturzwinkel αs erfolgt ein Verschwenken des Rades 1 um eine variable Sturzachse S. Diese ist vorzugsweise unterhalb einer horizontalen Axialebene des Rades 1 angeordnet. Die Zwillings-Querlenker 9 bzw. 9' weisen jeweils parallele Querlenkerachsen 12 auf. Der Lenkaktor 5 ist zwischen einer Koppelstange 13 und dem nicht dargestellten und in Rad 1 angebrachten Radnabe montiert.
Das Rad 1 kann über eine Viergelenkkette in dem Fahrwerk 2 gelagert sein. Vorzugsweise ist das Rad 1 mittels einer Achsschenkellenkung in dem Fahrwerk 2 gelagert .
Die vertikale Lenkachse V läuft vorzugsweise in der mittleren Radialebene MR des Rades 1.

Claims

Patentansprüche
1. Schienenfahrzeug mit einem Fahrwerk, das über an Achsenträger angeordnete einzelne Räder verfügt, die jeweils in horizontaler Richtung um eine vertikale Lenkachse schwenkbar gelagert sind, mit einem jeweils den Rädern zugeordneten Lenkaktor zur Einstellung eines vorgegebenen Lenkwinkels um die vertikale Lenkachse dadurch gekennzeichnet, dass die Räder (1) der Achse jeweils in vertikaler Richtung schwenkbar um eine horizontale Sturzachse (S) gelagert und mittels eines Sturzaktors (7) beaufschlagbar sind zur Einstellung eines vorgegebenen Sturzwinkels (αs) •
2. Schienenfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sturzaktor (7) mit dem Rad (1) gekoppelt ist und dass der Sturzaktor (7) derart angesteuert wird, dass sich das Rad (1) in einer Mittelstellung oder einer Sturzstellung befindet, in der im RadaufStandspunkt (P) ausschließlich Normalkräfte übertragen werden.
3. Schienenfahrzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sturzaktor (7) derart angesteuert wird, dass der Sturzwinkel (αs) gleich einem spitzen Winkel (CIF) ist, der sich zwischen sich einer in vertikaler Richtung verlaufenden Vertikalkraft (Fv) und einer in horizontaler Richtung verlaufenden Querkraft (FQ) zusam- mensetzenden und auf den RadaufStandspunkt (P) der Schiene wirkenden resultierenden Kraft (FR) einerseits und der Vertikalkraft (Fv) andererseits erstreckt.
4. Schienenfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass der Sturzaktor (7) derart angesteuert wird, dass der Sturzwinkel (αs) des Rades 1 nach der Beziehung v2 tan (Xs=— eingestellt wird, wobei v die Geschwindig- rg keit des Schienenfahrzeugs, r der Lenkradius der durch das Schienenfahrzeug befahrenen Kurve, g die Erdbeschleunigung sind.
5. Schienenfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Rad (1) über eine Viergelenkkette an dem Fahrwerk (2) gelagert ist.
6. Schienenfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Rad (1) mittels einer Achsschenkellenkung in dem Fahrwerk (2) gelagert ist.
7. Schienenfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinheit auf den gelenkig an das Rad (1) angreifenden Sturzaktor (7) einwirkt, derart, dass das Rad (1) in Abhängigkeit von dem Lenkwinkel (ai) aus einer Mittelstellung (M) um den Sturzwinkel (αs) in die Sturzstellung (S) verschwenkt wird.
8. Schienenfahrzeug nach einem der Ansprüchen 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass der Sturzaktor (7) direkt an dem Rad (1) angelenkt ist, derart, dass das Rad (1) um eine feste Sturzachse (S) verschwenkbar ist, die in der Höhe eines schienennahen Bereichs des Rades (1) verläuft.
9. Schienenfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass der Sturzaktor (7) über ein Zwillings-Querlenker (9, 91) einer Lenkereinheit (10) an das Rad (1) angelenkt ist, wobei die Zwillings-Querlenker (9, 9') in einer Mittelstellung des Sturzaktors (7) symmetrisch zu einer mittleren Radialebene (RM) verlaufen.
10. Schienenfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die vertikale Lenkachse (V) in der mittleren Radialebene (MR) des Rades (1) verläuft.
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