EP2477866A1 - Aktuator mit mehrfachwirkung - Google Patents

Aktuator mit mehrfachwirkung

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Publication number
EP2477866A1
EP2477866A1 EP10752820A EP10752820A EP2477866A1 EP 2477866 A1 EP2477866 A1 EP 2477866A1 EP 10752820 A EP10752820 A EP 10752820A EP 10752820 A EP10752820 A EP 10752820A EP 2477866 A1 EP2477866 A1 EP 2477866A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
actuator
unit
control
vehicle
frequency range
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.)
Withdrawn
Application number
EP10752820A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Richard Schneider
Eduard Mesnjak
Anton Gaile
Thomas Kloos
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.)
Liebherr Aerospace Lindenberg GmbH
Alstom Transportation Germany GmbH
Original Assignee
Bombardier Transportation GmbH
Liebherr Aerospace Lindenberg GmbH
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 Bombardier Transportation GmbH, Liebherr Aerospace Lindenberg GmbH filed Critical Bombardier Transportation GmbH
Publication of EP2477866A1 publication Critical patent/EP2477866A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current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
    • 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
    • B61F5/24—Means for damping or minimising the canting, skewing, pitching, or plunging movements of the underframes
    • 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
    • B61F5/24—Means for damping or minimising the canting, skewing, pitching, or plunging movements of the underframes
    • B61F5/245—Means for damping or minimising the canting, skewing, pitching, or plunging movements of the underframes by active damping, i.e. with means to vary the damping characteristics in accordance with track or vehicle induced reactions, especially in high speed mode
    • 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
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    • 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

Definitions

  • the present invention relates to an actuator, in particular for a rail vehicle, with a fluidic first actuator unit and a control device with a first control unit, wherein the first actuator unit is connected to the first control unit and controlled by the first control unit with energy from a fluidic power source can be supplied , It further relates to a vehicle equipped with such an actuator.
  • the car body is usually compared to the wheel units (for example, single wheels, wheel pairs or
  • the present invention is therefore based on the object to provide an actuator or a vehicle of the aforementioned type, which or which does not have the above-mentioned disadvantages or at least to a lesser extent and in particular in a simple and reliable manner in a compact, Space-saving design allows the realization of various positioning movements in the chassis area.
  • the present invention solves this problem, starting from an actuator according to the preamble of claim 1 by the features stated in the characterizing part of claim 1.
  • the present invention is based on the technical teaching that a compact design of the actuator can be achieved in a simple and reliable manner while simultaneously implementing a plurality of separate actuating movements, if several actuator units are integrated in the actuator, but controlled separately by a common energy source with the working fluid be supplied. It has been shown that from several actuator units that provide separately controlled positioning movements (possibly different applications), and a common
  • the present invention therefore relates to an actuator, in particular for a rail vehicle, having a fluidic first actuator unit and a control device having a first control unit, wherein the first actuator unit is connected to the first control unit and controlled by the first control unit with energy from a fluidic energy source can be supplied. Furthermore, a fluidic second actuator unit is provided and the control device comprises a second
  • Control unit wherein the second actuator unit is connected to the second control unit and controlled by the second control unit with energy from the fluidic power source can be supplied.
  • the actuator can in principle be made up of a plurality of separate components, which are preferably associated with each other, however, in a spatially close manner in order to keep them as short as possible
  • the actuator is designed as a structural unit, in particular with a common housing, since hereby a particularly compact, advantageous design can be achieved.
  • the first control unit and the second control unit are designed as a common structural subunit of the actuator.
  • first actuator unit and the second actuator unit may be formed as a common structural subunit of the actuator.
  • first and second actuator unit can in turn be provided with a common housing.
  • the first actuator unit and the second actuator unit are arranged immediately adjacent to achieve a particularly compact arrangement.
  • the energy source can be designed as a structural subunit of the actuator.
  • the energy source can only be formed by a common buffer memory (of sufficient size) which is supplied with the working fluid by a suitable pump.
  • the energy source but also only one Be pump that provides a sufficiently large volume flow for a particular application with sufficient dynamics.
  • the power source comprises a motor, a pump driven by the motor for a working fluid, and a buffer tank supplied with the working fluid by the pump, which are arranged in a common housing.
  • control units can each be designed in any suitable manner to supply the respective actuator unit controlled with working fluid.
  • additional, separately controllable pumps may be provided which the respective
  • Supply actuator unit with working fluid.
  • valve units are provided, via which only the volume flow and / or the pressure level of the energy source with already
  • Valve units have the advantage that they allow a comparatively simple design a high control bandwidth, which is advantageous from a dynamic point of view.
  • actuator according to the invention comprises the first
  • Control unit therefore at least a first valve unit, which is controlled by a
  • Control module of the control device fluidly connects the power source with the first actuator.
  • a single valve unit may suffice, but preferably a plurality of valve units are provided in order to provide redundancy in a simple manner and thus to increase reliability. It can be provided that only one of the two valve units of the control unit is operated in each case. It is understood, however, that in other variants, a parallel operation of the two
  • Valve units can be provided.
  • the first control unit therefore comprises two first valve units, which are preferably controlled separately by the control module and / or can be operated in parallel.
  • the second control unit comprises at least a second one
  • Valve unit which, under the control of a control module of the control device, fluidly connects the energy source to the second actuator unit.
  • the second control unit comprise two second valve units, which are separately controlled in particular by the control module and / or can be operated in parallel.
  • the two actuator units can in principle be controlled in any suitable manner. In particular, they can both be controlled in the same frequency range.
  • the control device is designed to control the first control unit for actuating the first actuator in a first frequency range, and to control the second control unit for actuating the second actuator in a second frequency range, the second frequency range
  • the first frequency range in particular from 0 Hz to 2 Hz, preferably from 0.5 Hz to 1, 0 Hz, extend, while the second frequency range additionally or alternatively of 0.5 Hz to 15 Hz, preferably from 1.0 Hz to 6.0 Hz.
  • This can be realized with a single actuator according to the invention complex control systems, in which superimposed adjusting movements of different frequency and / or different amplitude and a component to be actuated (for example, a vehicle) can be impressed.
  • the first control unit comprises two first valve units, wherein at least one of the first
  • Valve units is designed for a control in the second frequency range. This makes it possible, in the event of a failure of the second actuator unit, to realize its function by corresponding activation of one of the first valve units (at least to a reduced extent).
  • the second control unit may comprise two second valve units, wherein at least one of the second valve units is designed for a control in the first frequency range.
  • the two actuator units can in principle be designed in any suitable manner. In particular, they can have any active movements and effective directions. Preferably, at least one of the actuator units has a rotary action
  • Actuator and / or at least one of the actuator units is a translationally acting actuator.
  • Actuator have a different direction of action, since this is a particularly simple way the fulfillment of complex control tasks can be realized.
  • at least one further, third actuator unit is provided, wherein the third actuator unit is connected to a third control unit of the control device and controlled by the third control unit with energy from the power source can be supplied.
  • Actuator provided in order to meet particularly complex control tasks.
  • the actuator is substantially free of internal fluidic tubing and / or tubing connections to reduce the stiffness of the fluid system through the resilience of such
  • Preferably block-shaped units are used in which the channels are designed to guide the working fluid, whereby a high rigidity of the fluid system is ensured. These blocks are then preferably connected directly to each other in order to achieve a positive design under rigidity in the region of their connection.
  • the first control unit is designed as a valve block
  • the second control unit may be formed as a valve block, which in turn is flanged to the production of the fluidic connection to the second actuator unit and / or the power source.
  • any suitable fluid ie a gas or a liquid
  • liquid media are preferably used. This is preferably a hydraulic oil.
  • the present invention further relates to a vehicle, in particular a
  • the use of the first actuator may be sufficient.
  • at least one second actuator according to the invention may also be provided. This can then realize particularly complex control tasks in the vehicle.
  • the actuator can in principle be provided at any suitable point in the vehicle, and there realize any actuating tasks.
  • the actuators according to the invention can be used particularly advantageously (not least thanks to the achievable large control bandwidth) for actuating tasks in the vehicle which are relevant under driving dynamic aspects.
  • the actuators according to the invention are therefore preferably arranged in the chassis or in the region of the interface between the chassis and the car body.
  • the actuator can be used in the vehicle at any suitable location for any control tasks.
  • it can be used in the area of level control, hydraulic brakes or active dampers. But it can be particularly advantageous on the one hand in connection with the inclination of
  • the carbody is therefore tiltable about a longitudinal axis of the vehicle and at least one actuator unit of the first actuator is adapted to a
  • Tilt angle of the car body about the longitudinal axis in particular in a first
  • Actuator of the first actuator and / or the second actuator configured to adjust the tilt angle of the car body in a second frequency range, wherein the second frequency range is preferably at least partially, in particular completely, above the first frequency range.
  • the actuator according to the invention can also be particularly advantageous in
  • the chassis therefore preferably has at least one wheel unit designed to be steerable about a vertical axis of the vehicle and at least one actuator unit of the first Actuator is adapted to set a steering angle of the wheel unit, in particular in a third frequency range, about the vertical axis.
  • at least one further actuator unit of the first actuator and / or of the second actuator is then configured to change the steering angle of the wheel unit in a fourth
  • the fourth frequency range is at least partially, in particular completely, above the third frequency range in particular. This makes it possible to achieve a particularly favorable influence on the driving behavior of the vehicle, as has already been described above.
  • the two actuators can basically be realized as completely independent components.
  • the first actuator and the second actuator are fluidly connected to one another such that in the event of failure of the energy source of one actuator, the energy source of the other actuator can take over the power supply of both actuators. This will be the
  • Fail-safety of the overall system increased in a simple manner.
  • At least one actuator unit of the first actuator and at least one actuator unit of the second actuator act on the same component of the vehicle, in particular with setting movements in different frequency ranges, and a higher-level control is designed to in case of failure of one of the two actuator units to control the remaining actuator unit such that it assumes the function of the failed actuator unit at least partially.
  • first actuator unit and the second actuator unit of the first actuator may additionally or alternatively be provided that the first actuator unit and the second actuator unit of the first actuator to the same
  • Component of the vehicle in particular with actuating movements in different frequency ranges, act and a higher-level control is designed to control the remaining actuator unit in case of failure of one of the two actuator units such that it takes over the function of the failed actuator unit at least partially.
  • the control of the first actuator and the second actuator via a higher-level control takes place, which parts of Integrated control units of the first and second actuator, thus fulfilling their tasks.
  • At least one further actuator unit is provided, which can be supplied with working fluid via a control unit of the first actuator from the energy source of the first actuator.
  • This further actuator unit does not necessarily have to be arranged in close spatial proximity to the first and second actuator units. Rather, this may also be a remote actuator unit. This makes it possible in an advantageous manner, to realize a wide variety of actuating tasks (of any kind) in the vehicle with only one energy source.
  • Figure 1 is a schematic side view of a preferred embodiment of
  • Figure 2 is a schematic perspective view of a part of the vehicle of FIG.
  • Figure 3 is a schematic perspective view of one of the invention
  • FIG. 4 shows a schematic block diagram of one of the actuators according to the invention from FIG. 2.
  • FIGS. 1 to 4 a preferred one
  • a predetermined by the wheel contact level of the bogie 104 vehicle Coordinate system x, y, z indicated, in which the x-coordinate, the longitudinal direction of the rail vehicle 101, the y-coordinate, the transverse direction of the rail vehicle 101 and the z-coordinate, the height direction of the rail vehicle 101.
  • the vehicle 101 comprises a car body 102 which is supported in the region of its two ends on a chassis in the form of a bogie 103.
  • a chassis in the form of a bogie 103.
  • the present invention may be used in conjunction with other configurations in which the body is supported on a chassis only.
  • the bogie 103 comprises two wheel units in the form of wheelsets 103.1 and 103.2, on each of which a bogie frame 103.4 is supported via a primary suspension 103.3.
  • the car body 102 is in turn supported by a secondary suspension 103.5 on the bogie frame 103.4.
  • the primary suspension 103.3 and the secondary suspension 103.5 are simplified in FIG. 1 as coil springs. It is understood, however, that the primary suspension 103.3 or secondary suspension 103.5 can be any suitable spring device. Especially at the
  • Secondary suspension 103.2 is preferably a well-known
  • Air suspension or the like Air suspension or the like.
  • FIG. 2 shows in a perspective view as a detail of the vehicle 101, a roll compensation device 104 in the region of each bogie 103 kinematically parallel to the Sekundärfederung 103.5 between the bogie frame 103.4 and connected to the car body 102 car body 102.1 in the manner described in more detail below acts.
  • Roll compensation device 104 is a well-known roll support 105, which is connected on the one hand to the bogie frame 103.4 and on the other hand to the car body 02.
  • FIG. 4 shows a perspective view of this roll support 105.
  • the roll support 105 comprises a torsion arm in the form of a first lever 105.1 and a second torsion arm in the form of a second lever 105.2.
  • the two levers 105.1 and 105.2 sit on both sides of the longitudinal center plane (xz-plane) of the vehicle 101 respectively rotationally fixed on the ends of a torsion shaft 105.3 of the roll support 105.
  • the torsion shaft 105.3 extends in the transverse direction (y-direction) of the vehicle 101 and is rotatable stored in bearing blocks 105.4, which in turn are firmly connected to the bogie frame 103.2.
  • a first link 105.5 angeienkt At the free end of the first lever 105.1 is a first link 105.5 angeienkt, while at the free end of the second lever 105.2, a second link 105.6 is articulated.
  • about the two links 105.5, 105.6 is the two links 105.5, 105.6.
  • Roll support 105 hingedly connected to the car body 102.
  • the state in the neutral position of the vehicle 101 is shown, which results in a ride in a straight and not twisted track 106.
  • the two links 105.5, 105.6 in the sectional plane of FIG. 2 (yz plane) in the present example are inclined to the vertical axis (z-axis) of the vehicle 101 in such a way that their upper ends (hinged to the vehicle body 102) extend towards the center of the vehicle offset and their longitudinal axes intersect at a point MP, which lies in the longitudinal center plane (xz-plane) of the vehicle.
  • the handlebars 105.5, 105.6 a (in the neutral position) to the vehicle longitudinal axis 101.1 parallel extending roll axis is defined in a well-known manner, which runs through the point MP.
  • the point of intersection MP of the longitudinal axes of the links 105.5, 105.6 forms the instantaneous pole of a rolling movement of the car body 102 about this roll axis.
  • the roll support 105 allows in a well-known manner a synchronous on both sides of the vehicle compression of the secondary suspension 103.2, while preventing a pure rolling motion about the roll axis or the instantaneous pole MP. Furthermore, as can be seen in particular from FIG. 2, due to the inclination of the links 105.5, 105.6, a kinematics with a combined movement of a rolling movement about the roll axis or the instantaneous pole MP and a transverse movement in the direction of the vehicle transverse axis by the roll support 105 (y). Axis). It is understood that the intersection MP and thus the roll axis due to the predetermined by the handlebars 105.5, 105.6 kinematics at a deflection of the car body 102 from the
  • Neutral position usually also sideways emigrated.
  • the vehicle 101 comprises a first-acting first actuator 106 according to the invention and a multiple-acting second actuator 107 according to the invention which requires the same
  • the two actuators 106 and 07 are attached thereto on opposite sides of the bogie 103 respectively to the bogie frame 103.4.
  • the first actuator 106 via a first in the vehicle transverse direction (y-axis) extending first link 108 with a Projection of the car body cross member 102.1 connected, while the second actuator 107 is connected via a likewise primarily in the vehicle transverse direction (y-axis) extending second link 109 with the projection of the car body cross member 02.1.
  • the handlebars 108 and 109 are acting (primarily in the vehicle transverse direction) actuating movements of the actuators 106 and 107 to the car body 102.1 and thus the
  • Car body 102 transmitted so as to the desired rolling motion on the
  • Car body 102 to achieve.
  • the first actuator 106 serves to impart a first roll angle deflection to the car body 102 via first setting movements in a first frequency range of approximately 0.5 Hz to 1.0 Hz. So this is a quasi-static one
  • Wankwinkelauslenkung which is tuned, for example, to the curvature of a currently traversed at a certain speed track curve, in the context of a tilt control the (at this track curvature and this
  • Driving speed to reduce lateral acceleration acting on the passengers.
  • the second actuator 07 is used to the car body 102 via second actuating movements a second roll angle deflection in a (largely above the first
  • Roll angle deflection which is tuned, for example, currently introduced into the car body (usually higher-frequency) disturbances in order to reduce the effect of these disturbances on the passengers lateral acceleration in the context of a comfort control.
  • the active adjustment of the roll angle takes place exclusively in the case of curved travel in the curved track, ie the two actuators 106 and 107 are thus active only in such a driving situation.
  • the second actuator 107 is active even when driving straight ahead, so that the vibration comfort is ensured in an advantageous manner in these driving situations.
  • the two actuators 106 and 107 are also used to adjust the steering angle of the wheelsets 103.1 and 103.2 about a parallel to the height direction (z-axis) extending turning axis of the respective wheelset 103.1 and 103.2.
  • Such active adjustment of the steering angle is used in a known manner to avoid unstable driving conditions and thus to increase driving safety, to avoid disturbing vibrations in the vehicle and thus to increase passenger comfort and not least to optimize the wear of wheel and rail as far as possible.
  • the first actuator 106 via a (extending primarily in the vehicle longitudinal direction) third link 1 10 connected to the chassis side adjacent Radladergepuruse the first gear 103.1, while the second actuator 107 via a (himself primarily in
  • Chassis side of the adjacent wheel loader housing of the second gear 103.2 is connected.
  • About the handlebar 1 10 or 111 are (primarily in the longitudinal direction of the
  • Vehicle 101 acting actuating movements of the actuators 106 and 107 transmitted to the wheelsets 103.1 and 103.2, so as to achieve the desired turning movement of the respective wheelset 103.1 and 103.2.
  • the first actuator 106 serves to impose a first steering angle deflection in a third frequency range of about 0.5 Hz to 1.0 Hz for the first set of wheels 103.1 via third setting movements. So this is a quasi-static one
  • Lenkwinkelausschung which is tuned for example to the curvature of a currently traversed track curve to achieve a bend-radial adjustment of the first gearset 103.1 as part of a wear control.
  • the second actuator 107 serves to the second set of wheels 103.2 on fourth
  • Steering angle deflection which is tuned, inter alia, currently on the track in the bogie 103 introduced (usually higher-frequency, usually randomly scattered) disturbances. This can be in the context of a comfort control from Vibrations resulting from these disturbances are reduced, as is known, for example, from the aforementioned WO 2007/137906 A1.
  • the actuator 106 is designed as a compact structural unit which operates according to a fluidic operating principle, namely hydraulically.
  • the actuator 106 comprises a fluidic energy source 106.1, a control device 106.2, a first actuator unit 106.3 and a second actuator unit 106.4, which are mounted together to form a monolithic unit. So are the two
  • Actuator units 106.3 and 106.4 connected to a structural subunit with each other, to which in turn the controller 106.2 and the power source 106.1 is flanged.
  • the energy source 106.1 comprises an electric motor 106.5, pump 106.6, a reservoir 106.7 and a buffer 106.8.
  • the pump 106.6 is connected to the engine 106.5
  • the pump 106.6 conveys a working fluid in the form of hydraulic oil from the reservoir 106.7 in the buffer 106.8, so that in the buffer memory a predetermined amount of hydraulic oil is present, the pressure of which is at a predetermined pressure level.
  • the control device 106.2 is constructed as a structural subunit in the form of a valve block which comprises a first valve unit 106.9 assigned to the first actuator unit 106.3 and a second valve unit 106.10 assigned to the second actuator unit 106.4.
  • the first actuator unit 106.3 is designed as a linear drive in the form of a double-acting hydraulic cylinder whose working spaces can be mutually connected via a multi-way valve of the first valve unit 106.9 with the buffer 106.8 to achieve the positioning movements of the first actuator 106.
  • the piston rod 106.11 of the first actuator unit 106.3 is connected to the first link 108 in order to introduce the above-described first actuating movements into the vehicle body 102 and thus to produce the first roll angle deflection of the vehicle body 102 in the first frequency range.
  • the electromagnetically actuated first valve unit 106.9 in the first frequency range of about 0.5 Hz to 1, 0 Hz to the first actuating movements of the first actuator 106.3 and thus of the first actuator 106 in this first frequency range achieve.
  • the control module 1 2 receives in the present example in turn via a data bus 1 13 (for example, a CAN bus) from a higher-level vehicle control 1 14 corresponding control commands. It is understood, however, that the chain of commands can be otherwise constructed in other variants of the invention. In particular, purely analog signal paths can also be provided. Likewise, an immediate control of the control device 106.2 may be provided by the higher-level vehicle control 14.
  • a data bus 1 13 for example, a CAN bus
  • first valve unit 106.9 only a first valve unit 106.9 is provided. It is understood, however, that in other variants of the invention, a plurality (preferably two, preferably integrated in the valve block 106.2) first valve units 106.9 may be provided to provide a simple way of redundancy and thus in the
  • first valve units 106.9 are controlled by the control module 1 12. It is understood, however, that in other variants, a parallel operation of the first valve units 106.9 may be provided.
  • the second actuator unit 106.4 is designed as a rotary drive in the form of a pivot drive, which via a multi-way valve of the second valve unit 106.10 with the
  • Buffer memory 106.8 can be connected to achieve the third actuating movements of the first actuator 106.
  • Actuator unit 106.4 is connected to the third link 110 to the above
  • control module 1 12 controls the electromagnetically actuated second valve unit 106.10 in the third frequency range from about 0.5 Hz to 1, 0 Hz in order to achieve the actuating movements of the second actuator 106.4 and thus of the first actuator 106 in this third frequency range ,
  • a plurality (preferably two, preferably integrated in the valve block 106.2) second valve units 106.10 may be provided to provide a simple way of redundancy and thus increase the reliability of the system. It can be provided that only one of the second valve units 106.10 is controlled by the control module 1 12. It is understood, however, that in other variants, a parallel operation of the second valve units 106.10 may be provided.
  • the fluidic connections within the first actuator 06 are realized exclusively by channels in the respective components or housing components of the first actuator 06.
  • the first actuator 106 is thus designed (with the advantages already described with regard to the rigidity of the fluid system) substantially free of tube and / or hose connections.
  • the second actuator 107 is (as already mentioned) constructed identically to the first actuator 106. It therefore comprises an energy source 107.1, a control device 107.2, a third actuator unit 107.3 and a fourth actuator unit 107.4, which are mounted together to form a monolithic unit.
  • the third actuator unit 107.3 is configured identically to the first actuator unit 106.3, while the fourth actuator unit 107.4 is configured identically to the second actuator unit 106.4.
  • the control device 107.2 (configured identically to the control device 106.2) is controlled by the control module 12 in the second frequency range of approximately 1.0 Hz to 6.0 Hz such that the third actuator unit 107.3 performs the second actuating movements of the second actuator 106 in FIG performs this second frequency range.
  • control device 107.2 is controlled by the control module 12 in the fourth frequency range of about 4.0 Hz to 8.0 Hz such that the fourth
  • Actuator 107.4 executes the above-described fourth actuating movements of the second actuator 06 in this fourth frequency range.
  • control module 1 12 is designed to 106.3 and 107.3 in case of failure of one of the two actuator units
  • the first actuator 106 and the second actuator 107 are fluidly connected to each other via a (not shown) hydraulic line such that in Case of the failure of the energy source 106.1 or 107.1 of the one actuator 106.1 or 107.1 via a corresponding, controlled by the control module 1 12 valve in this hydraulic line, the energy source of the other actuator 107.1 or 106.1 the
  • the actuators 106, 107 are modular, so that different performance and functional requirements can be realized with little effort. In addition, extensive diagnostic functions are provided, which can detect all major types of failure of the actuators 106, 107 in good time and a repair or replacement of the affected
  • At least one further actuator unit is provided, as indicated in FIG. 4 by the dashed contour 15.
  • This further actuator unit 1 15 is supplied via a control unit 1 15.1 of the first actuator 106 from the power source 06.1 with the hydraulic fluid.
  • This further actuator unit does not necessarily have to be arranged in close spatial proximity to the first and second actuator units 106.3, 06.4. Rather, this may also be a remote actuator unit. This makes it possible in an advantageous manner, with only one energy source 106.1 diverse Stell tasks (of any kind) to realize in the vehicle.
  • the further actuator unit 1 15 for generating actuating movements for a level control of the vehicle 101 and / or for a brake of the vehicle 101 and / or for an active damper of the vehicle 101 and / or for an additional device for (quasi-static and / or dynamic) influencing the deflection of the car body 102 in the vehicle transverse direction formed.
  • the actuator units 106.3, 106.4 of the first actuator 106 both operate in the lower first and third frequency ranges while the
  • Actuator units 107.3, 107.4 of the second actuator 107 both operate in the higher second and fourth frequency ranges. It is understood, however, that in others
  • actuator units 106.3, 106.4 of the first actuator 106 operate in different frequency ranges.
  • the second actuator unit 106.4 operates in the higher fourth frequency range.
  • the fourth actuator unit 07.4 will then operate in the lower second frequency range.
  • the actuator units 106.3, 106.4 of the first actuator 106 act on the vehicle body 102 in the first or second frequency range, for example, both being designed as linear actuators (or both as a pivot drive) can.
  • the control module 1 12 is then preferably designed to control the remaining actuator 106.3 and 106 4 such that they malfunction of the failed actuator unit 106.3 or 106.4 at least partially in case of failure of one of the two actuator units 106.3, 106 takes over.
  • Comparable can apply in this variant for the second actuator 107, whose (then, for example, both trained as a rotary actuator or linear actuators)
  • Actuator 107.3, 107.4 act on the wheelsets 103.1 and 103.2 in the third and fourth frequency range.
  • actuator in further variants of the actuator according to the invention two or more individual actuator units of any kind (linear, rotary, etc.) and effective direction can be used. Likewise, all built-actuator units can be controlled independently of each other via their own valve units, the frequencies, amplitudes and force levels of the positioning movements can be arbitrarily selected and combined.
  • Vehicle longitudinal direction is integrated within the chassis frame 103.4.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Aktuator, insbesondere für ein Schienenfahrzeug, Aktuator, insbesondere für ein Schienenfahrzeug, mit einer fluidischen ersten Aktuatoreinheit (106.3) und einer Steuereinrichtung (106.2, 112) mit einer ersten Steuereinheit (106.9), wobei die erste Aktuatoreinheit (106.3) mit der ersten Steuereinheit (106.9) verbunden ist und über die erste Steuereinheit (106.2) gesteuert mit Energie aus einer fluidischen Energiequelle (106.1) versorgbar ist. Weiterhin ist eine fluidische zweite Aktuatoreinheit (106.4) vorgesehen und die Steuereinrichtung (106.2) umfasst eine zweite Steuereinheit (106.10), wobei die zweite Aktuatoreinheit (106.4) mit der zweiten Steuereinheit (106.10) verbunden ist und über die zweite Steuereinheit (106.10) gesteuert mit Energie aus der fluidischen Energiequelle (106.1) versorgbar ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Fahrzeug (101), insbesondere ein Schienenfahrzeug, mit einem erfindungsgemaßen Aktuator (106.1 107).

Description

Aktuator mit Mehrfachwirkung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Aktuator, insbesondere für ein Schienenfahrzeug, mit einer fluidischen ersten Aktuatoreinheit und und einer Steuereinrichtung mit einer ersten Steuereinheit, wobei die erste Aktuatoreinheit mit der ersten Steuereinheit verbunden ist und über die erste Steuereinheit gesteuert mit Energie aus einer fluidischen Energiequelle versorgbar ist. Sie betrifft weiterhin ein Fahrzeug, das mit einem solchen Aktuator ausgerüstet ist.
Bei Schienenfahrzeugen - aber auch bei anderen Fahrzeugen - ist der Wagenkasten in der Regel gegenüber den Radeinheiten (beispielsweise Einzelrädern, Radpaaren oder
Radsätzen) über eine oder mehrere Federstufen federnd gelagert. Nicht zuletzt aufgrund der stetig steigenden Anforderungen an die Sicherheit der Fahrzeuge, den Komfort für die Passagiere sowie die Transportkapazität und die Lebensdauer der Fahrzeuge treten unter fahrdynamischen Gesichtspunkten mehrere Probleme auf, denen mit einem passiven System nicht mehr in zufrieden stellendem Maße begegnet werden kann..
So bedingt die bei Bogenfahrt auftretende, quer zur Fahrbewegung und damit quer zur Fahrzeuglängsachse wirkende Zentrifugalbeschleunigung wegen des vergleichsweise hoch liegenden Schwerpunkts des Wagenkastens die Tendenz des Wagenkastens, sich gegenüber den Radeinheiten nach bogenaußen zu neigen, mithin also eine
Wankbewegung um eine zur Fahrzeuglängsachse parallele Wankachse auszuführen.
Solche Wankbewegungen sind oberhalb bestimmter Grenzwerte zum einen dem
Fahrkomfort abträglich. Zum anderen bringen sie die Gefahr einer Verletzung des zulässigen Lichtraumprofils sowie im Hinblick auf die Kippsicherheit und damit auch die Entgleisungssicherheit die Gefahr unzulässiger einseitiger Radentlastungen mit sich. Um dies zu verhindern, werden bei modernen Schienenfahrzeugen häufig
Wankstützeinrichtungen in Form so genannter Wankstabilisatoren sowie aktive
Neigesysteme eingesetzt, welche übermäßigen Wank- bzw. Neigebewegungen
entgegenwirken sowie den Wank- bzw. Neigewinkel und die Wankachse des Fahrzeugs auf einen dem jeweiligen Fahrzustand angepassten, möglichst weit gehend optimierten Wert einstellen. Ein derartiger Ansatz ist beispielsweise aus der EP 1 190 925 A1 bekannt (deren gesamte Offenbarung hierin durch Bezugnahme eingeschlossen wird). Ein weiteres fahrdynamisches Problem ergibt sich im Zusammenhang mit der aktiven Beeinflussung des Lenkwinkels der Radeinheiten sowohl im geraden Gleis als auch im Gleisbogen. Auch hier werden häufig aktive Systeme verwendet, die im Hinblick auf die Fahrsicherheit (Vermeidung von instabilen Fahrzuständen), den Passagierkomfort
(Reduktion störender Schwingungen im Fahrzeug) und nicht zuletzt den Verschleiß von Rad und Schiene aktiv den Lenkwinkel einer oder mehrerer Radeinheiten des Fahrzeugs auf einen dem jeweiligen Fahrzustand angepassten, möglichst weit gehend optimierten Wert einstellen. Ein derartiger Ansatz ist beispielsweise aus der WO 03/0 0039 A1 sowie der WO 2007/137906 A1 bekannt (deren gesamte Offenbarung hierin jeweils durch Bezugnahme eingeschlossen wird).
Problematisch hierbei ist, dass in der Regel eine Vielzahl von Aktuatoren verwendet werden muss, um die unterschiedlichen Anforderungen der jeweiligen aktiven Systeme zu realisieren. Dies ist unter Bauraumgesichtspunkten von Nachteil, da im Bereich der Fahrwerke moderner Schienenfahrzeuge in der Regel nur sehr wenig Bauraum zur Verfügung steht.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, einen Aktuator bzw. ein Fahrzeug der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, welche bzw. welches die oben genannten Nachteile nicht oder zumindest in geringerem Maße aufweist und insbesondere auf einfache und zuverlässige Weise bei kompakter, Platz sparender Gestaltung die Realisierung vielfältiger Stellbewegungen im Fahrwerksbereich ermöglicht.
Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe ausgehend von einem Aktuator gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale.
Der vorliegenden Erfindung liegt die technische Lehre zu Grunde, dass man auf einfache und zuverlässige Weise eine kompakte Gestaltung des Aktuators bei gleichzeitiger Realisierung mehrerer separater Stellbewegungen erzielt, wenn in den Aktuator mehreren Aktuatoreinheiten integriert werden, die separat gesteuert aber von einer gemeinsamen Energiequelle mit dem Arbeitsfluid versorgt werden. So hat sich gezeigt, dass aus mehreren Aktuatoreinheiten, die separat gesteuerte Stellbewegungen (gegebenenfalls unterschiedliche Anwendungen) zur Verfügung stellen, und einer gemeinsamen
Energiequelle eine sehr kompakte Gestaltung des Aktuators realisiert werden kann. Diese kompakte Gestaltung ermöglicht in vorteilhafter Weise die Integration des Aktuators in ein Fahrwerk eines modernen Schienenfahrzeugs, ohne dessen Bauraumbudget massiv zu beeinträchtigen.
Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung daher einen Aktuator, insbesondere für ein Schienenfahrzeug, mit einer fluidischen ersten Aktuatoreinheit und einer Steuereinrichtung mit einer ersten Steuereinheit, wobei die erste Aktuatoreinheit mit der ersten Steuereinheit verbunden ist und über die erste Steuereinheit gesteuert mit Energie aus einer fluidischen Energiequelle versorgbar ist. Weiterhin ist eine fluidische zweite Aktuatoreinheit vorgesehen und die Steuereinrichtung umfasst eine zweite
Steuereinheit, wobei die zweite Aktuatoreinheit mit der zweiten Steuereinheit verbunden ist und über die zweite Steuereinheit gesteuert mit Energie aus der fluidischen Energiequelle versorgbar ist.
Der Aktuator kann grundsätzlich aus mehreren separaten Komponenten aufgebaut sein, die einander bevorzugt jedoch räumlich eng zugeordnet sind, um möglichst kurze
Leitungswege für das Arbeitsfluid zur Verfügung zu stellen. Dies ist im Hinblick auf die (fluidische) Steifigkeit des Systems (kurze, mechanisch steife Leitungswege) und damit die erzielbare Regelbandbreite sowie die Leistungsfähigkeit des Systems (geringe Verluste durch geringes Volumen des Arbeitsfluids im System) von Vorteil.
Bevorzugt ist der Aktuator als bauliche Einheit, insbesondere mit einem gemeinsamen Gehäuse, ausgebildet, da hiermit eine besonders kompakte, vorteilhafte Gestaltung erzielt werden kann. Bevorzugt sind die erste Steuereinheit und die zweite Steuereinheit als gemeinsame bauliche Untereinheit des Aktuators ausgebildet. Auch hier ist es nicht zuletzt unter Bauraumgesichtspunkten von Vorteil, wenn die beiden Steuereinheiten mit einem gemeinsamen Gehäuse ausgestattet sind.
Zusätzlich oder alternativ können die erste Aktuatoreinheit und die zweite Aktuatoreinheit als gemeinsame bauliche Untereinheit des Aktuators ausgebildet sein. Auch hier können die erste und zweite Aktuatoreinheit wiederum mit einem gemeinsamen Gehäuse versehen sein. Bevorzugt sind die erste Aktuatoreinheit und die zweite Aktuatoreinheit unmittelbar benachbart angeordnet, um eine besonders kompakte Anordnung zu erzielen.
Schließlich kann zusätzlich oder alternativ die Energiequelle als bauliche Untereinheit des Aktuators ausgebildet sein. Die Energiequelle kann lediglich von einem gemeinsamen Pufferspeicher (ausreichender Größe) gebildet sein, der von einer geeigneten Pumpe mit dem Arbeitsfluid versorgt wird. Ebenso kann die Energiequelle aber auch lediglich eine Pumpe sein, die mit einer ausreichenden Dynamik einen ausreichend großen Volumenstrom für die jeweilige Anwendung zur Verfügung stellt.
Vorzugsweise umfasst die Energiequelle einen Motor, eine durch den Motor angetrieben Pumpe für ein Arbeitsfluid und einen durch die Pumpe mit dem Arbeitsfluid versorgten Pufferspeicher, die in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind. Hierdurch lässt sich eine besonders kompakte Anordnung erzielen, welche dank des (geeignet groß gewählten) Volumens des Pufferspeichers auch mit vergleichsweise einfachen Komponenten eine Versorgung der Aktuatoreinheiten mit hoher Dynamik ermöglicht.
Die Steuereinheiten können jeweils in beliebiger geeigneter Weise gestaltet sein, um die jeweilige Aktuatoreinheit gesteuert mit Arbeitsfluid zu versorgen. So können beispielsweise zusätzliche, separat steuerbare Pumpen vorgesehen sein, welche die jeweilige
Aktuatoreinheit mit Arbeitsfluid versorgen.
Vorzugsweise sind jedoch einfache Ventileinheiten vorgesehen, über welche lediglich der Volumenstrom und/oder das Druckniveau des aus der Energiequelle mit bereits
ausreichendem Druck beaufschlagten Arbeitsfluids eingestellt wird. Derartige
Ventileinheiten haben den Vorteil, dass sie bei vergleichsweiser einfacher Gestaltung eine hohe Regelbandbreite ermöglichen, was unter dynamischen Gesichtspunkten von Vorteil ist.
Bei bevorzugten Varianten bis erfindungsgemäßen Aktuators umfasst die erste
Steuereinheit daher wenigstens eine erste Ventileinheit, die gesteuert durch ein
Steuermodul der Steuereinrichtung die Energiequelle mit der ersten Aktuatoreinheit fluidisch verbindet. Grundsätzlich kann eine einzige Ventileinheit ausreichen, bevorzugt sind jedoch mehrere Ventileinheiten vorgesehen, um auf einfache Weise eine Redundanz zu schaffen und damit in die Ausfallsicherheit zu erhöhen. Hierbei kann vorgesehen sein, dass jeweils nur eine der beiden Ventileinheiten der Steuereinheit betrieben wird. Es versteht sich jedoch, dass bei anderen Varianten auch ein paralleler Betrieb der beiden
Ventileinheiten vorgesehen sein kann. Bevorzugt umfasst die erste Steuereinheit daher zwei erste Ventileinheiten, die vorzugsweise durch das Steuermodul getrennt ansteuerbar sind und/oder parallel betreibbar sind.
Zusätzlich oder alternativ umfasst die zweite Steuereinheit wenigstens eine zweite
Ventileinheit, die gesteuert durch ein Steuermodul der Steuereinrichtung die Energiequelle mit der zweiten Aktuatoreinheit fluidisch verbindet. Auch hier kann die zweite Steuereinheit zwei zweite Ventileinheiten umfassen, die insbesondere durch das Steuermodul getrennt ansteuerbar sind und/oder parallel betreibbar sind.
Die beiden Aktuatoreinheiten können grundsätzlich auf beliebige geeignete Weise angesteuert werden. Insbesondere können sie beide in demselben Frequenzbereich angesteuert werden. Bei bevorzugten Varianten bis erfindungsgemäßen Aktuators ist jedoch vorgesehen, dass die Steuereinrichtung dazu ausgebildet ist, die erste Steuereinheit zur Betätigung der ersten Aktuatoreinheit in einem ersten Frequenzbereich anzusteuern, und die zweite Steuereinheit zur Betätigung der zweiten Aktuatoreinheit in einem zweiten Frequenzbereich anzusteuern, wobei der zweite Frequenzbereich insbesondere zumindest teilweise, insbesondere vollständig, oberhalb des ersten Frequenzbereichs liegt, insbesondere kann sich der erste Frequenzbereich insbesondere von 0 Hz bis 2 Hz, vorzugsweise von 0,5 Hz bis 1 ,0 Hz, erstrecken, während sich der zweite Frequenzbereich zusätzlich oder alternativ von 0,5 Hz bis 15 Hz, vorzugsweise von 1 ,0 Hz bis 6,0 Hz, erstrecken kann. Hiermit können mit einem einzigen erfindungsgemäßen Aktuator komplexe Regelungssysteme realisiert werden, bei denen einander Stellbewegungen unterschiedlicher Frequenz und/oder unterschiedlicher Amplitude überlagert und einer zu betätigenden Komponente (beispielsweise eines Fahrzeugs) aufgeprägt werden können.
Bei weiteren vorteilhaften Varianten des erfindungsgemäßen Aktuators umfasst die erste Steuereinheit zwei erste Ventileinheiten umfasst, wobei wenigstens eine der ersten
Ventileinheiten für eine Ansteuerung in dem zweiten Frequenzbereich ausgebildet ist. Hiermit ist es möglich, bei einem Ausfall der zweiten Aktuatoreinheit deren Funktion durch entsprechende Ansteuerung einer der ersten Ventileinheiten (zumindest in reduzierten Umfang) zu realisieren. Zusätzlich oder alternativ kann in ähnlicher Weise die zweite Steuereinheit zwei zweite Ventileinheiten umfassen, wobei wenigstens eine der zweiten Ventileinheiten für eine Ansteuerung in dem ersten Frequenzbereich ausgebildet ist.
Die beiden Aktuatoreinheiten können grundsätzlich auf beliebige geeignete Weise gestaltet sein. Insbesondere können sie beliebige Wirkbewegungen und Wirkrichtungen aufweisen. Vorzugsweise ist wenigstens eine der Aktuatoreinheiten eine rotatorisch wirkende
Aktuatoreinheit ist und/oder wenigstens eine der Aktuatoreinheiten eine translatorisch wirkende Aktuatoreinheit. Hierbei können die erste Aktuatoreinheit und die zweite
Aktuatoreinheit eine unterschiedliche Wirkrichtung aufweisen, da hiermit ein besonders einfacher Weise die Erfüllung komplexer Stellaufgaben realisierbar ist. Bei weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Aktuators ist wenigstens eine weitere, dritte Aktuatoreinheit vorgesehen, wobei die dritte Aktuatoreinheit mit einer dritten Steuereinheit der Steuereinrichtung verbunden ist und über die dritte Steuereinheit gesteuert mit Energie aus der Energiequelle versorgbar ist. Hiermit ist es in einfacher Weise möglich, mit einer nach wie vor sehr kompakten Gestaltung weitere, separate
Stellbewegungen zu realisieren. Vorzugsweise sind wenigstens zwei dritte
Aktuatoreinheiten vorgesehen, um besonders komplexe Stellaufgaben erfüllen zu können.
Zur fluidischen Verbindung der einzelnen Komponenten des Aktuators können
grundsätzlich beliebige geeignete Komponenten, beispielsweise Rohrverbindungen und/oder Schlauchverbindungen zum Einsatz kommen. Bevorzugt ist der Aktuator jedoch im Wesentlichen frei von internen fluidischen Rohr- und/oder Schlauchverbindungen, um eine Verringerung der Steifigkeit des Fluidsystems durch die Elastizität derartiger
Komponenten zu vermeiden.
Vorzugsweise werden blockartig gestaltete Einheiten verwendet, in denen die Kanäle zur Führung des Arbeitsfluids ausgebildet sind, wodurch eine hohe Steifigkeit des Fluidsystems gewährleistet ist. Diese Blöcke werden dann bevorzugt unmittelbar miteinander verbunden, um auch im Bereich ihrer Verbindung eine unter Steifigkeitsgestchtspunkten positive Gestaltung zu erzielen.
Vorzugsweise ist daher die erste Steuereinheit als Ventilblock ausgebildet, der zur
Herstellung der fluidischen Verbindung an die erste Aktuatoreinheit und/oder die
Energiequelle angeflanscht ist. Zusätzlich oder alternativ kann die zweite Steuereinheit als Ventilblock ausgebildet sein, der wiederum zur Herstellung der fluidischen Verbindung an die zweite Aktuatoreinheit und/oder die Energiequelle angeflanscht ist. Hierdurch wird eine besonders kompakte Gestaltung mit vorteilhaft kurzen Leitungswegen und hoher Steifigkeit des Fluidsystems erzielt.
Als Arbeitsfluid kann grundsätzlich jedes beliebige geeignete Fluid (also ein Gas oder eine Flüssigkeit) zum Einsatz kommen. Im Hinblick auf die Steifigkeit des Fluidsystems werden bevorzugt flüssige Medien verwendet. Vorzugsweise handelt es sich hierbei um ein Hydrauliköl.
Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Fahrzeug, insbesondere ein
Schienenfahrzeug, mit einem Fahrwerk, einem auf dem Fahrwerk abgestützten
Wagenkasten sowie einem erfindungsgemäßen, ersten Aktuator. Mit diesem Fahrzeug lassen sich die oben beschriebenen Vorteile und Varianten in demselben Maße erzielen, sodass diesbezüglich lediglich auf die obigen Ausführungen verwiesen wird.
Grundsätzlich kann die Verwendung des ersten Aktuators ausreichen. Zusätzlich zu dem ersten Aktuator kann aber auch wenigstens ein erfindungsgemäßer, zweiter Aktuator vorgesehen sein. Hiermit lassen sich dann besonders komplexe Regelungsaufgaben in dem Fahrzeug realisieren.
Der Aktuator kann grundsätzlich an beliebiger geeigneter Stelle im Fahrzeug vorgesehen sein, und dort beliebige Stellaufgaben realisieren. Besonders vorteilhaft lassen sich die erfindungsgemäßen Aktuatoren (nicht zuletzt dank der erzielbaren großen Regelbandbreite) jedoch für unter fahrdynamischen Gesichtspunkten relevante Stellaufgaben im Fahrzeug einsetzen. Bevorzugt sind die erfindungsgemäßen Aktuatoren daher im Fahrwerk bzw. An im Bereich der Schnittstelle zwischen dem Fahrwerk und dem Wagenkasten angeordnet. Vorzugsweise ist daher vorgesehen, dass der erste Aktuator und/oder der zweite Aktuator im Bereich des Fahrwerks und/oder zwischen dem Fahrwerk und dem Wagenkasten wirkt.
Der Aktuator kann im Fahrzeug an beliebiger geeigneter Stelle für beliebige Stellaufgaben eingesetzt werden. So kann er beispielsweise im Bereich der Niveauregulierung, im Bereich hydraulischer Bremsen oder im Bereich aktiver Dämpfer eingesetzt werden. Besonders vorteilhaft lässt er sich aber zum einen im Zusammenhang mit der Neigung des
Wagenkastens um eine zur Längsachse des Fahrzeugs parallele Wankachse einsetzen. Vorzugsweise ist der Wagenkasten daher um eine Längsachse des Fahrzeugs neigbar und wenigstens eine Aktuatoreinheit des ersten Aktuators ist dazu ausgebildet, einen
Neigewinkel des Wagenkastens um die Längsachse, insbesondere in einem ersten
Frequenzbereich einzustellen. Vorzugsweise ist dann wenigstens eine weitere
Aktuatoreinheit des ersten Aktuators und/oder des zweiten Aktuators dazu ausgebildet, den Neigewinkel des Wagenkastens in einem zweiten Frequenzbereich einzustellen, wobei der zweite Frequenzbereich vorzugsweise zumindest teilweise, insbesondere vollständig, oberhalb des ersten Frequenzbereichs liegt. Hiermit lässt sich eine besonders günstige Beeinflussung des Fahrkomforts für die Passagiere des Fahrzeugs realisieren, wie dies eingangs bereits geschildert wurde.
Weiterhin lässt sich der erfindungsgemäße Aktuator auch besonders vorteilhaft im
Zusammenhang mit der lenkenden Ausrichtung der Radeinheiten des Fahrwerks einsetzen. Bevorzugt weist das Fahrwerk daher wenigstens eine um eine Hochachse des Fahrzeugs lenkbar ausgebildete Radeinheit auf und wenigstens eine Aktuatoreinheit des ersten Aktuators ist dazu ausgebildet, einen Lenkwinkel der Radeinheit, insbesondere in einem dritten Frequenzbereich, um die Hochachse einzustellen. Vorzugsweise ist dann wiederum wenigstens eine weitere Aktuatoreinheit des ersten Aktuators und/oder des zweiten Aktuators dazu ausgebildet, den Lenkwinkel der Radeinheit in einem vierten
Frequenzbereich einzustellen, wobei der vierte Frequenzbereich insbesondere zumindest teilweise, insbesondere vollständig, oberhalb des dritten Frequenzbereichs liegt. Hiermit lässt sich eine besonders günstige Beeinflussung des Fahrverhaltens des Fahrzeugs realisieren, wie dies eingangs bereits geschildert wurde.
Die beiden Aktuatoren können grundsätzlich als vollständig voneinander unabhängige Komponenten realisiert sein. Vorzugsweise ist jedoch vorgesehen, dass der erste Aktuator und der zweite Aktuators derart fluidisch miteinander verbunden sind, dass im Falle des Ausfalls der Energiequelle des einen Aktuators die Energiequelle des anderen Aktuators die Energieversorgung beider Aktuatoren übernehmen kann. Hierdurch wird die
Ausfallsicherheit des Gesamtsystems in einfacher Weise erhöht.
Zur weiteren Erhöhung der Ausfallsicherheit des Gesamtsystems kann zusätzlich oder alternativ vorgesehen sein, dass wenigstens eine Aktuatoreinheit des ersten Aktuators und wenigstens eine Aktuatoreinheit des zweiten Aktuators auf dieselbe Komponente des Fahrzeugs, insbesondere mit Stellbewegungen in unterschiedlichen Frequenzbereichen, wirken und eine übergeordnete Steuerung dazu ausgebildet ist, bei Ausfall einer der beiden Aktuatoreinheiten die verbleibende Aktuatoreinheit derart anzusteuern, dass sie die Funktion der ausgefallenen Aktuatoreinheit zumindest teilweise übernimmt.
Zu diesem Zweck kann zusätzlich oder alternativ auch vorgesehen sein, dass die erste Aktuatoreinheit und die zweite Aktuatoreinheit des ersten Aktuators auf dieselbe
Komponente des Fahrzeugs, insbesondere mit Stellbewegungen in unterschiedlichen Frequenzbereichen, wirken und eine übergeordnete Steuerung dazu ausgebildet ist, bei Ausfall einer der beiden Aktuatoreinheiten die verbleibende Aktuatoreinheit derart anzusteuern, dass sie die Funktion der ausgefallenen Aktuatoreinheit zumindest teilweise übernimmt.
Grundsätzlich kann vorgesehen sein, dass die Steuerung des übrigen Aktuators durch eine separate, autonome Steuerung erfolgt, die jeweils entsprechende Vorgaben aus einer übergeordneten Steuerung des Fahrzeugs erhält und diese autonom umsetzt.
Vorzugsweise ist jedoch vorgesehen, dass die Steuerung des ersten Aktuators und des zweiten Aktuators über eine übergeordnete Steuerung erfolgt, welche Teile der Steuereinheiten des ersten und zweiten Aktuators integriert, mithin also deren Aufgaben erfüllt.
Bei weiteren bevorzugten Varianten des erfindungsgemäßen Fahrzeugs ist wenigstens eine weitere Aktuatoreinheit vorgesehen, die über eine Steuereinheit des ersten Aktuators aus der Energiequelle des ersten Aktuators mit Arbeitsfluid versorgbar ist. Diese weitere Aktuatoreinheit muss nicht notwendigerweise in enger räumlicher Nähe zu der ersten und zweiten Aktuatoreinheit angeordnet sein. Vielmehr kann es sich hierbei auch um eine entfernt angeordnete Aktuatoreinheit handeln. Hiermit ist es in vorteilhafter Weise möglich, mit nur einer Energiequelle vielfältige Stellaufgaben (beliebiger Art) im Fahrzeug zu realisieren. Vorzugweise ist die weitere Aktuatoreinheit zur Erzeugung von
Stellbewegungen für eine Niveauregulierung des Fahrzeugs und/oder für eine Bremse des Fahrzeugs und/oder für einen aktiven Dämpfer des Fahrzeugs ausgebildet.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen bzw. der nachstehenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche auf die beigefügten Zeichnungen Bezug nimmt. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Seitenansicht einer bevorzugten Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Fahrzeugs mit einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Aktuators;
Figur 2 eine schematische perspektivische Ansicht eines Teils des Fahrzeugs aus Figur
1 (in einem Schnitt entlang der Linie II-II aus Figur 1 );
Figur 3 eine schematische perspektivische Ansicht eines der erfindungsgemäßen
Aktuatoren aus Figur 2;
Figur 4 ein schematisches Blockschaltbild eines der erfindungsgemäßen Aktuatoren aus Figur 2.
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 4 ein bevorzugtes
Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Fahrzeugs in Form eines Schienenfahrzeugs 101 beschrieben.
Zum einfacheren Verständnis der nachfolgenden Erläuterungen ist in den Figuren ein (durch die Radaufstandsebene des Drehgestells 104 vorgegebenes) Fahrzeug- Koordinatensystem x,y,z angegeben, in dem die x-Koordinate die Längsrichtung des Schienenfahrzeugs 101 , die y-Koordinate die Querrichtung des Schienenfahrzeugs 101 und die z-Koordinate die Höhenrichtung des Schienenfahrzeugs 101 bezeichnen.
Das Fahrzeug 101 umfasst einen Wagenkasten 102, der im Bereich seiner beiden Enden jeweils auf einem Fahrwerk in Form eines Drehgestells 103 abgestützt ist. Es versteht sich jedoch, dass die vorliegende Erfindung auch in Verbindung mit anderen Konfigurationen eingesetzt werden kann, bei denen der Wagenkasten lediglich auf einem Fahrwerk abgestützt ist.
Das Drehgestell 103, umfasst zwei Radeinheiten in Form von Radsätzen 103.1 und 103.2, auf denen sich jeweils über eine Primärfederung 103.3 ein Drehgestellrahmen 103.4 abstützt. Der Wagenkasten 102 ist wiederum über eine Sekundärfederung 103.5 auf dem Drehgestellrahmen 103.4 abgestützt. Die Primärfederung 103.3 und die Sekundärfederung 103.5 sind in Figur 1 vereinfachend als Schraubenfedern dargestellt. Es versteht sich jedoch, dass es sich bei der Primärfederung 103.3 bzw. Sekundärfederung 103.5 um eine beliebige geeignete Federeinrichtung handeln kann. Insbesondere bei der
Sekundärfederung 103.2 handelt es sich bevorzugt um eine hinlänglich bekannte
Luftfederung oder dergleichen.
Die Figur 2 zeigt in einer perspektivischen Ansicht als Detail des Fahrzeugs 101 eine Wankkompensationseinrichtung 104, die im Bereich eines jeden Drehgestells 103 kinematisch parallel zu der Sekundärfederung 103.5 zwischen dem Drehgestellrahmen 103.4 und einer mit dem Wagenkasten 102 verbundenen Wagenkastentraverse 102.1 in der nachfolgend noch näher beschriebenen Weise wirkt.
Wie insbesondere der Figur 2 zu entnehmen ist umfasst die
Wankkompensationseinrichtung 104 eine hinlänglich bekannte Wankstütze 105, die einerseits mit dem Drehgestellrahmen 103.4 und andererseits mit dem Wagenkasten 02 verbunden ist. Figur 4 zeigt eine perspektivische Ansicht dieser Wankstütze 105. Wie Figur 2 zu entnehmen ist, umfasst die Wankstütze 105 einen Torsionsarm in Form eines ersten Hebels 105.1 und einen zweiten Torsionsarm in Form eines zweiten Hebels 105.2. Die beiden Hebel 105.1 und 105.2 sitzen zu beiden Seiten der Längsmittenebene (xz- Ebene) des Fahrzeugs 101 jeweils drehfest auf den Enden einer Torsionswelle 105.3 der Wankstütze 105. Die Torsionswelle 105.3 erstreckt sich in Querrichtung (y-Richtung) des Fahrzeugs 101 und ist drehbar in Lagerblöcken 105.4 gelagert, die ihrerseits fest mit dem Drehgestellrahmen 103.2 verbunden sind. An dem freien Ende des ersten Hebels 105.1 ist ein erster Lenker 105.5 angeienkt, während an dem freien Ende des zweiten Hebels 105.2 ein zweiter Lenker 105.6 angelenkt ist. Über die beiden Lenker 105.5, 105.6 ist die
Wankstütze 105 gelenkig mit dem Wagenkasten 102 verbunden.
In der Figur 2 ist der Zustand in der Neutralstellung des Fahrzeugs 101 dargestellt, welche sich bei einer Fahrt in einem geraden und nicht verwundenen Gleis 106 ergibt. In dieser Neutralstellung verlaufen die beiden Lenker 105.5, 105.6 in der Schnittebene der Figur 2 (yz-Ebene) im vorliegenden Beispiel derart zur Hochachse (z-Achse) des Fahrzeugs 101 geneigt, dass ihre oberen (am Wagenkasten 102 angelenkten) Enden zur Fahrzeugmitte hin versetzt sind und sich ihre Längsachsen in einem Punkt MP schneiden, der in der Längsmittenebene (xz-Ebene) des Fahrzeugs liegt. Durch die Lenker 105.5, 105.6 ist in hinlänglich bekannter Weise eine (in der Neutralstellung) zur Fahrzeuglängsachse 101.1 parallel verlaufende Wankachse definiert, welche durch den Punkt MP verläuft. Der Schnittpunkt MP der Längsachsen der Lenker 105.5, 105.6 bildet mit anderen Worten den Momentanpol einer Wankbewegung des Wagenkastens 102 um diese Wankachse.
Die Wankstütze 105 erlaubt in hinlänglich bekannter Weise ein auf beiden Seiten des Fahrzeugs synchrones Einfedern der Sekundärfederung 103.2, während sie eine reine Wankbewegung um die Wankachse bzw. den Momentanpol MP verhindert. Weiterhin ist, wie insbesondere Figur 2 zu entnehmen ist, aufgrund der Schrägstellung der Lenker 105.5, 105.6 durch die Wankstütze 105 eine Kinematik mit einer kombinierten Bewegung aus einer Wankbewegung um die Wankachse bzw. den Momentanpol MP und einer Querbewegung in Richtung der Fahrzeugquerachse (y-Achse) vorgegeben. Hierbei versteht es sich, dass der Schnittpunkt MP und damit die Wankachse aufgrund der durch die Lenker 105.5, 105.6 vorgegebenen Kinematik bei einer Auslenkung des Wagenkastens 102 aus der
Neutralstellung in der Regel ebenfalls seitlich auswandert.
Um den Wankwinkel des Wagenkastens 102 um die Wankachse bzw. den Momentanpol MP aktiv einstellen zu können, umfasst das Fahrzeug 101 im vorliegenden Beispiel einen erfindungsgemäß mehrfach wirkenden ersten Aktuator 106 und einen erfindungsgemäßen mehrfach wirkenden zweiten Aktuator 107, welche die hierfür erforderlichen
Stellbewegungen zur Verfügung stellen. Die beiden Aktuatoren 106 und 07 sind hierzu an gegenüberliegenden Seiten des Drehgestells 103 jeweils an dem Drehgestellrahmen 103.4 befestigt.
Zur Einstellung des Wankwinkels des Wagenkastens 102 ist der erste Aktuator 106 über einen primär in Fahrzeugquerrichtung (y-Achse) verlaufenden ersten Lenker 108 mit einem Vorsprung der Wagenkastentraverse 102.1 verbunden, während der zweite Aktuator 107 über einen ebenfalls primär in Fahrzeugquerrichtung (y-Achse) verlaufenden zweiten Lenker 109 mit dem Vorsprung der Wagenkastentraverse 02.1 verbunden ist. Über die Lenker 108 bzw. 109 werden (primär in Fahrzeugquerrichtung wirkende) Stellbewegungen der Aktuatoren 106 bzw. 107 auf die Wagenkastentraverse 102.1 und damit den
Wagenkasten 102 übertragen, um so die gewünschte Wankbewegung an dem
Wagenkasten 102 zu erzielen.
Der erste Aktuator 106 dient dazu, dem Wagenkasten 102 über erste Stellbewegungen eine erste Wankwinkelauslenkung in einem ersten Frequenzbereich von etwa 0,5 Hz bis 1 ,0 Hz aufzuprägen. Mithin handelt es sich hierbei also um eine quasi-statische
Wankwinkelauslenkung, die beispielsweise auf die Krümmung eines aktuell mit einer bestimmten Fahrgeschwindigkeit durchfahrenen Gleisbogens abgestimmt ist, um im Rahmen einer Neigungsregelung die (bei dieser Gleiskrümmung und dieser
Fahrgeschwindigkeit) auf die Passagiere wirkende Querbeschleunigung zu reduzieren.
Der zweite Aktuator 07 dient dazu, dem Wagenkasten 102 über zweite Stellbewegungen eine zweite Wankwinkelauslenkung in einem (weitestgehend oberhalb des ersten
Frequenzbereichs liegenden) zweiten Frequenzbereich von etwa 1 ,0 Hz bis 6.0 Hz aufzuprägen. Mithin handelt es sich hierbei also um eine dynamische
Wankwinkelauslenkung, die beispielsweise auf aktuell in den Wagenkasten eingeleitete (meist höherfrequente) Störungen abgestimmt ist, um im Rahmen einer Komfortregelung die aus diesen Störungen auf die Passagiere wirkende Querbeschleunigung zu reduzieren.
Grundsätzlich kann vorgesehen sein, dass die (zumindest in dem zweiten Frequenzbereich erfolgende) aktive Einstellung des Wankwinkels ausschließlich bei Bogenfahrt im gekrümmten Gleis erfolgt, die beiden Aktuatoren 106 und 107 mithin also nur in einer solchen Fahrsituation aktiv sind. Vorzugsweise ist jedoch vorgesehen, dass zumindest der zweite Aktuator 107 auch bei Geradeausfahrt aktiv ist, sodass der Schwingungskomfort in vorteilhafter Weise auch in diesen Fahrsituationen gewährleistet ist.
Die beiden Aktuatoren 106 und 107 dienen weiterhin dazu, den Lenkwinkel der Radsätze 103.1 und 103.2 um eine parallel zu der Höhenrichtung (z-Achse) verlaufende Wendeachse des jeweiligen Radsatzes 103.1 bzw. 103.2 einzustellen. Eine solche aktive Einstellung des Lenkwinkels dient in bekannter Weise dazu, instabile Fahrzustände zu vermeiden und damit die Fahrsicherheit zu erhöhen, störende Schwingungen im Fahrzeug zu vermeiden und damit den Passagierkomfort zu erhöhen und nicht zuletzt den Verschleiß von Rad und Schiene möglichst weit gehend zu optimieren.
Zur Einstellung des Lenkwinkels der Radsätze 103.1 und 103 2 ist der erste Aktuator 106 über einen (sich primär in Fahrzeuglängsrichtung erstreckenden) dritten Lenker 1 10 mit dem auf dieser Fahrwerksseite benachbarten Radladergehäuse des ersten Radsatzes 103.1 verbunden, während der zweite Aktuator 107 über einen (sich primär in
Fahrzeuglängsrichtung erstreckenden) vierten Lenker 1 1 1 mit dem auf dieser
Fahrwerksseite der benachbarten Radladergehäuse des zweiten Radsatzes 103.2 verbunden ist. Über die Lenker 1 10 bzw. 111 werden (primär in Längsrichtung des
Fahrzeugs 101 wirkende) Stellbewegungen der Aktuatoren 106 bzw. 107 auf die Radsätze 103.1 bzw. 103.2 übertragen, um so die gewünschte Wendebewegung an dem jeweiligen Radsatz 103.1 bzw. 103.2 zu erzielen.
Hierbei kann es ausreichen, dass durch den ersten Aktuator 106 lediglich der erste Radsatz verstellt wird, während durch den zweiten Aktuator 107 lediglich der zweite Radsatz 103.2 betätigt wird, da über die Primärfederung 103.3 und den Drehgestellrahmen 103.4 eine ausreichende mechanische Kopplung der beiden Radsätze 103.1 und 103.2 gegeben ist. Bei vorteilhaften Varianten der vorliegenden Erfindung ist jedoch eine (in den Figuren nicht dargestellte) Kopplung der beiden Radsätze 103.1 und 103.2 vorgesehen, über welche die Stellbewegungen an dem einen Radsatz auch in den anderen Radsatz eingeleitet werden.
Der erste Aktuator 106 dient dazu, dem ersten Radsatz 103.1 über dritte Stellbewegungen eine erste Lenkwinkelauslenkung in einem dritten Frequenzbereich von etwa 0,5 Hz bis 1 ,0 Hz aufzuprägen. Mithin handelt es sich hierbei also um eine quasi-statische
Lenkwinkelauslenkung, die beispielsweise auf die Krümmung eines aktuell durchfahrenen Gleisbogens abgestimmt ist, um im Rahmen einer Verschleißregelung eine bogenradiale Einstellung des ersten Radsatzes 103.1 zu erzielen.
Der zweite Aktuator 107 dient dazu, dem zweiten Radsatz 103.2 über vierte
Stellbewegungen eine zweite Lenkwinkelauslenkung in einem (oberhalb des dritten Frequenzbereichs liegenden) vierten Frequenzbereich von etwa 4,0 Hz bis 8,0 Hz aufzuprägen. Mithin handelt es sich hierbei also um eine dynamische
Lenkwinkelauslenkung, die beispielsweise unter anderem auf aktuell über das Gleis in das Drehgestell 103 eingeleitete (meist höherfrequente, in der Regel zufällig gestreute) Störungen abgestimmt ist. Hiermit können im Rahmen einer Komfortregelung die aus diesen Störungen resultierenden Schwingungen reduziert werden, wie dies beispielsweise aus der eingangs genannten WO 2007/137906 A1 bekannt ist.
Der Aufbau und die Funktionsweise der Aktuatoren 106 und 107 wird im Folgenden exemplarisch anhand des in den Figuren 3 und 4 dargestellten ersten Aktuators 106 beschrieben.
Wie den Figuren 3 und 4 zu entnehmen ist, ist der Aktuator 106 als kompakte bauliche Einheit gestaltet, die nach einem fluidischen Wirkprinzip, nämlich hydraulisch, arbeitet. Der Aktuator 106 umfasst hierzu eine fluidische Energiequelle 106.1 , eine Steuereinrichtung 106.2, eine erste Aktuatoreinheit 106.3 und eine zweite Aktuatoreinheit 106.4, die miteinander zu einer monolithischen Einheit montiert sind. So sind die beiden
Aktuatoreinheiten 106.3 und 106.4 zu einer baulichen Untereinheit miteinander verbunden, an der wiederum die Steuereinrichtung 106.2 sowie die Energiequelle 106.1 angeflanscht ist.
Die Energiequelle 106.1 umfasst einen Elektromotor 106.5, Pumpe 106.6, ein Reservoir 106.7 und einen Pufferspeicher 106.8. Die Pumpe 106.6 ist an den Motor 106.5
angeflanscht und bildet mit diesem eine kompakte Tauchpumpe, die in dem Reservoir 106.7 angeordnet ist. Die Pumpe 106.6 fördert ein Arbeitsfluid in Form von Hydrauliköl aus dem Reservoir 106.7 in den Pufferspeicher 106.8, sodass in dem Pufferspeicher eine vorgegebene Menge Hydrauliköl vorhanden ist, dessen Druck auf einem vorgegebenen Druckniveau liegt.
Die Steuereinrichtung 106.2 ist als bauliche Untereinheit in Form eines Ventilblocks aufgebaut, der eine der ersten Aktuatoreinheit 106.3 zugeordnete erste Ventileinheit 106.9 sowie eine der zweiten Aktuatoreinheit 106.4 zugeordnete zweite Ventileinheit 106.10 umfasst.
Die erste Aktuatoreinheit 106.3 ist als Linearantrieb in Form eines doppelt wirkenden Hydraulikzylinders gestaltet, dessen Arbeitsräume über ein Mehrwegeventil der ersten Ventileinheit 106.9 wechselseitig mit dem Pufferspeicher 106.8 verbunden werden können, um die Stellbewegungen des ersten Aktuators 106 zu erzielen. Die Kolbenstange 106.11 der ersten Aktuatoreinheit 106.3 ist mit dem ersten Lenker 108 verbunden, um die oben beschriebenen ersten Stellbewegungen in den Wagenkasten 102 einzuleiten und damit die erste Wankwinkelauslenkung des Wagenkastens 102 in dem ersten Frequenzbereich zu erzeugen. Zu diesem Zweck steuert ein Steuermodul 1 12 die elektromagnetisch betätigte erste Ventileinheit 106.9 in dem ersten Frequenzbereich von etwa 0,5 Hz bis 1 ,0 Hz an, um die ersten Stellbewegungen der ersten Aktuatoreinheit 106.3 und damit des ersten Aktuators 106 in diesem ersten Frequenzbereich zu erzielen.
Das Steuermodul 1 2 erhält im vorliegenden Beispiel seinerseits über einen Datenbus 1 13 (beispielsweise einen CAN-Bus) aus einer übergeordneten Fahrzeugsteuerung 1 14 entsprechende Steuerbefehle. Es versteht sich jedoch, dass die Befehlskette bei anderen Varianten der Erfindung auch anderweitig aufgebaut sein kann. Insbesondere können auch rein analoge Signalwege vorgesehen sein. Ebenso kann eine unmittelbare Steuerung der Steuereinrichtung 106.2 durch die übergeordnete Fahrzeugsteuerung 1 14 vorgesehen sein.
Im vorliegenden Beispiel ist lediglich eine erste Ventileinheit 106.9 vorgesehen. Es versteht sich jedoch, dass bei anderen Varianten der Erfindung mehrere (bevorzugt zwei, vorzugsweise in dem Ventilblock 106.2 integrierte) erste Ventileinheiten 106.9 vorgesehen sein können, um auf einfache Weise eine Redundanz zu schaffen und damit in die
Ausfallsicherheit des Systems zu erhöhen. Hierbei kann vorgesehen sein, dass jeweils nur eine der ersten Ventileinheiten 106.9 durch das Steuermodul 1 12 angesteuert wird. Es versteht sich jedoch, dass bei anderen Varianten auch ein paralleler Betrieb der ersten Ventileinheiten 106.9 vorgesehen sein kann.
Die zweite Aktuatoreinheit 106.4 ist als rotatorischer Antrieb in Form eines Schwenkantriebs gestaltet, der über ein Mehrwegeventil der zweiten Ventileinheit 106.10 mit dem
Pufferspeicher 106.8 verbunden werden kann, um die dritten Stellbewegungen des ersten Aktuators 106 zu erzielen. Das freie Ende des Schwenkhebels 106.12 der zweiten
Aktuatoreinheit 106.4 ist mit dem dritten Lenker 110 verbunden, um die oben
beschriebenen dritten Stellbewegungen in den ersten Radsatz 103.1 einzuleiten und damit die erste Lenkwinkelauslenkung des ersten Radsatzes 103.1 in dem dritten
Frequenzbereich zu erzeugen.
Zu diesem Zweck steuert das Steuermodul 1 12 die elektromagnetisch betätigte zweite Ventileinheit 106.10 in dem dritten Frequenzbereich von etwa 0,5 Hz bis 1 ,0 Hz an, um die Stellbewegungen der zweiten Aktuatoreinheit 106.4 und damit des ersten Aktuators 106 in diesem dritten Frequenzbereich zu erzielen.
Im vorliegenden Beispiel ist wiederum lediglich eine zweite Ventileinheit 106.10
vorgesehen. Es versteht sich jedoch, dass bei anderen Varianten der Erfindung wiederum mehrere (bevorzugt zwei, vorzugsweise in dem Ventilblock 106.2 integrierte) zweite Ventileinheiten 106.10 vorgesehen sein können, um auf einfache Weise eine Redundanz zu schaffen und damit in die Ausfallsicherheit des Systems zu erhöhen. Hierbei kann vorgesehen sein, dass jeweils nur eine der zweiten Ventileinheiten 106.10 durch das Steuermodul 1 12 angesteuert wird. Es versteht sich jedoch, dass bei anderen Varianten auch ein paralleler Betrieb der zweiten Ventileinheiten 106.10 vorgesehen sein kann.
Die fluidischen Verbindungen innerhalb des ersten Aktuators 06 sind ausschließlich durch Kanäle in den jeweiligen Komponenten bzw. Gehäusebauteilen des ersten Aktuators 06 realisiert. Mithin ist der erste Aktuator 106 also (mit den vorstehend bereits beschriebenen Vorteilen hinsichtlich der Steifigkeit des Fluidsystems) im Wesentlichen frei von Rohrund/oder Schlauchverbindungen ausgeführt.
Der zweite Aktuator 107 ist (wie bereits erwähnt) identisch zu dem ersten Aktuator 106 aufgebaut. Er umfasst daher eine Energiequelle 107.1 , eine Steuereinrichtung 107.2, eine dritte Aktuatoreinheit 107.3 und eine vierte Aktuatoreinheit 107.4, die miteinander zu einer monolithischen Einheit montiert sind. Die dritte Aktuatoreinheit 107.3 ist identisch zu der ersten Aktuatoreinheit 106.3 gestaltet, während die vierte Aktuatoreinheit 107.4 identisch zu der zweiten Aktuatoreinheit 106.4 gestaltet ist.
Die (identisch zu der Steuereinrichtung 106.2 gestaltete) Steuereinrichtung 107.2 wird durch das Steuermodul 1 12 in dem zweiten Frequenzbereich von etwa 1 ,0 Hz bis 6,0 Hz derart angesteuert, dass die dritte Aktuatoreinheit 107.3 die oben beschriebenen zweiten Stellbewegungen des zweiten Aktuators 106 in diesem zweiten Frequenzbereich ausführt.
Weiterhin wird die Steuereinrichtung 107.2 durch das Steuermodul 12 in dem vierten Frequenzbereich von etwa 4,0 Hz bis 8,0 Hz derart angesteuert, dass die vierte
Aktuatoreinheit 107.4 die oben beschriebenen vierten Stellbewegungen des zweiten Aktuators 06 in diesem vierten Frequenzbereich ausführt.
Zur Erhöhung der Ausfallsicherheit des Gesamtsystems ist das Steuermodul 1 12 dazu ausgebildet, bei Ausfall einer der beiden Aktuatoreinheiten 106.3 und 107.3 die
verbleibende Aktuatoreinheit 106.3 bzw. 107.3 derart anzusteuern, dass sie die Funktion der ausgefallenen Aktuatoreinheit 106.3 bzw. 107.3 zumindest teilweise übernimmt.
Im vorliegenden Beispiel sind der erste Aktuator 106 und der zweite Aktuator 107 über eine (nicht näher dargestellte) Hydraulikleitung derart fluidisch miteinander verbunden, dass im Falle des Ausfalls der Energiequelle 106.1 bzw. 107.1 des einen Aktuators 106.1 bzw. 107.1 über ein entsprechendes, durch das Steuermodul 1 12 gesteuertes Ventil in dieser Hydraulikleitung die Energiequelle des anderen Aktuators 107.1 bzw. 106.1 die
Energieversorgung beider Aktuatoren 106 und 107 übernehmen kann. Hierdurch wird die Ausfallsicherheit des Gesamtsystems in einfacher Weise erhöht.
Die Aktuatoren 106, 107 sind modular aufgebaut, sodass unterschiedliche Leistungs- und Funktionsanforderungen mit geringem Aufwand realisierbar sind. Zudem sind umfangreiche Diagnosefunktionen vorgesehen, welche alle wesentlichen Ausfallarten der Aktuatoren 106, 107 rechtzeitig erkennen können und eine Reparatur oder Tausch der betroffenen
Komponenten ohne Beeinträchtigung des Betriebes ermöglichen.
Bei weiteren Varianten des erfindungsgemäßen Fahrzeugs 101 ist wenigstens eine weitere Aktuatoreinheit vorgesehen, wie dies in Figur 4 durch die gestrichelte Kontur 1 15 angedeutet ist. Diese weitere Aktuatoreinheit 1 15 wird über eine Steuereinheit 1 15.1 des ersten Aktuators 106 aus der Energiequelle 06.1 mit dem Hydraulikfluid versorgt. Diese weitere Aktuatoreinheit muss nicht notwendigerweise in enger räumlicher Nähe zu der ersten und zweiten Aktuatoreinheit 106.3, 06.4 angeordnet sein. Vielmehr kann es sich hierbei auch um eine entfernt angeordnete Aktuatoreinheit handeln. Hiermit ist es in vorteilhafter Weise möglich, mit nur einer Energiequelle 106.1 vielfältige Stellaufgaben (beliebiger Art) im Fahrzeug zu realisieren.
Vorzugweise ist die weitere Aktuatoreinheit 1 15 zur Erzeugung von Stellbewegungen für eine Niveauregulierung des Fahrzeugs 101 und/oder für eine Bremse des Fahrzeugs 101 und/oder für einen aktiven Dämpfer des Fahrzeugs 101 und/oder für eine zusätzliche Einrichtung zur (quasi-statischen und/oder dynamischen) Beeinflussung der Auslenkung des Wagenkastens 102 in der Fahrzeugquerrichtung ausgebildet.
Es versteht sich hierbei, dass sämtliche der vorgenannten Funktionen im Bereich des Fahrzeugs 101 alleine oder in beliebiger Kombination natürlich auch durch die erste und/oder zweite Aktuatoreinheit des ersten Aktuators realisiert werden können.
Im vorliegenden Beispiel arbeiten die Aktuatoreinheiten 106.3, 106.4 des ersten Aktuators 106 beide in dem niedrigeren ersten und dritten Frequenzbereich, während die
Aktuatoreinheiten 107.3, 107.4 des zweiten Aktuators 107 beide in dem höheren zweiten und vierten Frequenzbereich operieren. Es versteht sich jedoch, dass bei anderen
Varianten der Erfindung auch vorgesehen sein kann, dass die Aktuatoreinheiten 106.3, 106.4 des ersten Aktuators 106 in unterschiedlichen Frequenzbereichen arbeiten. So kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die zweite Aktuatoreinheit 106.4 in dem höheren vierten Frequenzbereich arbeitet. In diesem Fall wird dann die vierte Aktuatoreinheit 07.4 in dem niedrigeren, zweiten Frequenzbereich arbeiten.
Bei weiteren Varianten des erfindungsgemäßen Fahrzeugs kann vorgesehen sein, dass die Aktuatoreinheiten 106.3, 106.4 des ersten Aktuators 106 in dem ersten bzw. zweiten Frequenzbereich auf den Wagenkasten 102 wirken, wobei sie dann beispielsweise beide als Linearaktuatoren (oder aber auch beide als Schwenkantrieb) ausgebildet sein können. Zur Erhöhung der Ausfallsicherheit des Gesamtsystems ist das Steuermodul 1 12 dann vorzugsweise dazu ausgebildet, bei Ausfall einer der beiden Aktuatoreinheiten 106.3, 106 4 die verbleibende Aktuatoreinheit 106.3 bzw. 106 4 derart anzusteuern, dass sie die Funktion der ausgefallenen Aktuatoreinheit 106.3 bzw. 106.4 zumindest teilweise übernimmt.
Vergleichbares kann bei dieser Variante für den zweiten Aktuator 107 gelten, dessen (dann beispielsweise beide als Schwenkantrieb oder Linearaktuatoren ausgebildete)
Aktuatoreinheiten 107.3, 107.4 in dem dritten bzw. vierten Frequenzbereich auf die Radsätze 103.1 und 103.2 wirken.
Es sei an dieser Stelle erwähnt, dass bei weiteren Varianten des erfindungsgemäßen Aktuators zwei oder mehrere einzelne Aktuatoreinheiten beliebiger Art (linear, rotatorisch etc.) und Wirkrichtung eingesetzt werden können. Ebenso können alle eingebauten Aktuatoreinheiten unabhängig voneinander über eigene Ventileinheiten geregelt werden, wobei die Frequenzen, Amplituden und Kraftniveaus der Stellbewegungen beliebig gewählt und miteinander kombiniert werden können.
Es versteht sich, dass die Anordnung der erfindungsgemäßen Aktuatoren 106, 107, insbesondere ihre jeweilige Wirkrichtung, je nach Fahrwerkstyp, Anwendung und funktionalen Anforderungen beliebig gewählt werden kann. So kann, beispielsweise vorgesehen sein, dass die Motor-/Pumpeneinheit in Fahrzeugquerrichtung oder in
Fahrzeuglängsrichtung innerhalb des Fahrwerkrahmens 103.4 integriert ist.
Die vorliegende Erfindung wurde vorstehend ausschließlich anhand von Beispielen für Schienenfahrzeuge beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die Erfindung auch in Verbindung mit beliebigen anderen Fahrzeugen zum Einsatz kommen kann. Schließlich versteht es sich, dass der erfindungsgemäße Aktuator natürlich auch im Zusammenhang mit beliebigen anderen Anwendungen außerhalb des Fahrzeugbaus zum Einsatz kommen kann.

Claims

Patentansprüche
1. Aktuator, insbesondere für ein Schienenfahrzeug, mit
- einer fluidischen ersten Aktuatoreinheit (106.3) und
- einer Steuereinrichtung (106.2, 1 12) mit einer ersten Steuereinheit (106.9), wobei
- die erste Aktuatoreinheit (106.3) mit der ersten Steuereinheit (106.9) verbunden ist und über die erste Steuereinheit (106.2) gesteuert mit Energie aus einer fluidischen Energiequelle (106.1 ) versorgbar ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
- eine fluidische zweite Aktuatoreinheit (106.4) vorgesehen ist und
- die Steuereinrichtung (106.2) eine zweite Steuereinheit (106.10) umfasst, wobei
- die zweite Aktuatoreinheit (106.4) mit der zweiten Steuereinheit ( 06.10)
verbunden ist und über die zweite Steuereinheit ( 06.10) gesteuert mit Energie aus der fluidischen Energiequelle (106.1 ) versorgbar ist.
2. Aktuator nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass
- er als bauliche Einheit, insbesondere mit einem gemeinsamen Gehäuse,
ausgebildet ist, wobei insbesondere
- die erste Steuereinheit (106.9) und die zweite Steuereinheit (106.10) als bauliche Untereinheit, insbesondere mit einem gemeinsamen Gehäuse, ausgebildet ist, und/oder
- die erste Aktuatoreinheit (106.3) und die zweite Aktuatoreinheit (106.4) als bauliche Untereinheit, insbesondere mit einem gemeinsamen Gehäuse, ausgebildet sind, wobei die erste Aktuatoreinheit (106.3) und die zweite Aktuatoreinheit (106.4) unmittelbar benachbart angeordnet sind,
und/oder
- die Energiequelle (106.1 ) als bauliche Untereinheit, insbesondere mit einem Motor (106.5), einer durch den Motor (106.5) angetrieben Pumpe (106.6) für ein Arbeitsfluid und einem durch die Pumpe (106.6) mit dem Arbeitsfluid versorgten Pufferspeicher (106.8) in einem gemeinsamen Gehäuse, ausgebildet ist.
3. Aktuator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass
- die erste Steuereinheit (106.9) wenigstens eine erste Ventileinheit umfasst, die gesteuert durch ein Steuermodul (1 12) der Steuereinrichtung die Energiequelle (106.1 ) mit der ersten Aktuatoreinheit (106.3) fluidisch verbindet, wobei
- die erste Steuereinheit (106.9) insbesondere zwei erste Ventileinheiten umfasst, die insbesondere durch das Steuermodul ( 1 12) getrennt ansteuerbar sind und/oder parallel betreibbar sind.
und/oder
- die zweite Steuereinheit (106.10) wenigstens eine zweite Ventileinheit umfasst, die gesteuert durch ein Steuermodul (112) der Steuereinrichtung die Energiequelle (106.1 ) mit der zweiten Aktuatoreinheit (106.4) fluidisch verbindet, wobei
- die zweite Steuereinheit (106.10) insbesondere zwei zweite Ventileinheiten umfasst, die insbesondere durch das Steuermodul (112) getrennt ansteuerbar sind und/oder parallel betreibbar sind.
Aktuator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Steuereinrichtung (106.2, 12) dazu ausgebildet ist, die erste Steuereinheit
(106.9) zur Betätigung der ersten Aktuatoreinheit (106.3) in einem ersten Frequenzbereich anzusteuern, und
- die Steuereinrichtung (106.2, 1 12) dazu ausgebildet ist, die zweite Steuereinheit
(106.10) zur Betätigung der zweiten Aktuatoreinheit (106.4) in einem zweiten Frequenzbereich anzusteuern, wobei
- der zweite Frequenzbereich insbesondere zumindest teilweise, insbesondere vollständig, oberhalb des ersten Frequenzbereichs liegt
und/oder
- sich der erste Frequenzbereich insbesondere von 0 Hz bis 2 Hz, vorzugsweise von 0.5 Hz bis 1 ,0 Hz, erstreckt,
und/oder
- sich der zweite Frequenzbereich insbesondere von 0.5 Hz bis 15 Hz,
vorzugsweise von 1 ,0 Hz bis 6.0 Hz, erstreckt.
Aktuator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass
- die erste Steuereinheit (106.9) zwei erste Ventileinheiten umfasst, wobei - wenigstens eine der ersten Ventileinheiten für eine Ansteuerung in dem zweiten Frequenzbereich ausgebildet ist,
und/oder
- die zweite Steuereinheit (106.10) zwei zweite Ventileinheiten umfasst, wobei
- wenigstens eine der zweiten Ventileinheiten für eine Ansteuerung in dem ersten Frequenzbereich ausgebildet ist.
Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
- wenigstens eine der Aktuatoreinheiten (106.3, 106.4) eine rotatorisch wirkende Aktuatoreinheit (106.4) ist und/oder wenigstens eine der Aktuatoreinheiten (106.3, 106.4) eine translatorisch wirkende Aktuatoreinheit (106.3) ist, wobei
- die erste Aktuatoreinheit (106.3) und die zweite Aktuatoreinheit (106.4)
insbesondere eine unterschiedliche Wirkrichtung aufweisen.
Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
- wenigstens eine weitere, dritte Aktuatoreinheit (1 15) vorgesehen ist, wobei
- die dritte Aktuatoreinheit (115) mit einer dritten Steuereinheit (1 15.1 ) der
Steuereinrichtung verbunden ist und über die dritte Steuereinheit (1 15.1) gesteuert mit Energie aus der Energiequelle (106 1 ) versorgbar ist,
- insbesondere wenigstens zwei dritte Aktuatoreinheiten (1 15) vorgesehen sind.
Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
• er im Wesentlichen frei von internen fluidischen Rohr- und/oder
Schlauchverbindungen ist, wobei insbesondere
- die erste Steuereinheit (106.9) als Ventilblock ausgebildet ist, der zur Herstellung der fluidischen Verbindung an die erste Aktuatoreinheit (106.3) und/oder die Energiequelle (106.1 ) angeflanscht ist,
und/oder
- die zweite Steuereinheit (106.10) als Ventilblock ausgebildet ist, der zur
Herstellung der fluidischen Verbindung an die zweite Aktuatoreinheit (106.4) und/oder die Energiequelle (106.1 ) angeflanscht ist.
9. Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Arbeitsfluid eine flüssiges Medium, insbesondere Hydrauliköl, verwendet wird..
10. Fahrzeug, insbesondere Schienenfahrzeug, mit
- einem Fahrwerk (103),
- einem auf dem Fahrwerk (103) abgestützten Wagenkasten (102)
- einem ersten Aktuator (106), der als Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist, und
- insbesondere einem zweiten Aktuator (107), der als Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist, wobei
- der erste Aktuator (106) und/oder der zweite Aktuator (107) insbesondere im
Bereich des Fahrwerks (103) und/oder zwischen dem Fahrwerk (103) und dem Wagenkasten (102) wirkt.
1 1. Fahrzeug nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass
- der Wagenkasten (102) um eine Längsachse des Fahrzeugs neigbar ist und
- wenigstens eine Aktuatoreinheit (106.3) des ersten Aktuators (106) dazu
ausgebildet ist, einen Neigewinkel des Wagenkastens (102) um die Längsachse, insbesondere in einem ersten Frequenzbereich einzustellen, wobei
- insbesondere wenigstens eine weitere Aktuatoreinheit (106.4: 107.3) des ersten Aktuators (106) und/oder des zweiten Aktuators (107) dazu ausgebildet ist, den Neigewinkel des Wagenkastens (102) in einem zweiten Frequenzbereich einzustellen,
- wobei der zweite Frequenzbereich insbesondere zumindest teilweise,
insbesondere vollständig, oberhalb des ersten Frequenzbereichs liegt.
12. Fahrzeug nach Anspruch 10 oder 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass
- das Fahrwerk (102) wenigstens eine um eine Hochachse des Fahrzeugs lenkbar ausgebildete Radeinheit (103.1 , 103.2) aufweist und
- wenigstens eine Aktuatoreinheit (106.4) des ersten Aktuators (106) dazu
ausgebildet ist, einen Lenkwinkel der Radeinheit (103.1 , 103.2), insbesondere in einem dritten Frequenzbereich, um die Hochachse einzustellen, wobei - insbesondere wenigstens eine weitere Aktuatoreinheit (106.3; 107.3) des ersten Aktuators (106) und/oder des zweiten Aktuators (107) dazu ausgebildet ist, den Lenkwinkel der Radeinheit (103.1 , 103.2) in einem vierten Frequenzbereich einzustellen,
- wobei der vierte Frequenzbereich insbesondere zumindest teilweise, insbesondere vollständig, oberhalb des dritten Frequenzbereichs liegt.
13. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass
- der erste Aktuator (106) und der zweite Aktuator (107) derart fluidisch miteinander verbunden sind, dass im Falle des Ausfalls der Energiequelle (106.1 , 107.1 ) des einen Aktuators (106, 107) die Energiequelle des anderen Aktuators (106, 107) die Energieversorgung beider Aktuatoren (106, 107) übernehmen kann,
und/oder
- wenigstens eine Aktuatoreinheit (106.3, 106.4) des ersten Aktuators (106) und wenigstens eine Aktuatoreinheit (107.3, 107.4) des zweiten Aktuators (107) auf dieselbe Komponente (102, 103.1 , 103.2) des Fahrzeugs, insbesondere mit Stellbewegungen in unterschiedlichen Frequenzbereichen, wirken und eine übergeordnete Steuerung (1 12, 1 14) dazu ausgebildet ist, bei Ausfall einer der beiden Aktuatoreinheiten (106.3, 106.4, 107.3, 107.4) die verbleibende Aktuatoreinheit (106.3, 106.4, 107.3, 107.4) derart anzusteuern, dass sie die Funktion der ausgefallenen Aktuatoreinheit (106.3, 106.4, 107.3, 107.4) zumindest teilweise übernimmt
und/oder
- die erste Aktuatoreinheit (106.3) und die zweite Aktuatoreinheit (106.4) des ersten Aktuators (106) auf dieselbe Komponente (102) des Fahrzeugs, insbesondere mit Stellbewegungen in unterschiedlichen Frequenzbereichen, wirken und eine übergeordnete Steuerung (1 12. 1 14) dazu ausgebildet ist, bei Ausfall einer der beiden Aktuatoreinheiten (106.3, 06.4) die verbleibende Aktuatoreinheit (106.3, 106.4) derart anzusteuern, dass sie die Funktion der ausgefallenen Aktuatoreinheit (106.3, 106.4) zumindest teilweise übernimmt.
14. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung des ersten Aktuators (106) und des zweiten Aktuators (107) über eine übergeordnete Steuerung (1 12, 1 14) erfolgt, welche Teile der Steuereinheiten des ersten und zweiten Aktuators ( 06, 107) integriert.
15. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass
- wenigstens eine weitere Aktuatoreinheit (1 5) vorgesehen ist, die über eine Steuereinheit (1 15.1 ) des ersten Aktuators (106) aus der Energiequelle (106.1 ) des ersten Aktuators (106) mit Arbeitsfluid versorg bar ist, wobei
- die weitere Aktuatoreinheit (1 15) insbesondere zur Erzeugung von
Stellbewegungen für eine Niveauregulierung des Fahrzeugs und/oder für eine Bremse des Fahrzeugs und/oder für einen aktiven Dämpfer des Fahrzeugs und/oder für eine zusätzliche Einrichtung zur Beeinflussung der Auslenkung des Wagenkastens in der Fahrzeugquerrichtung ausgebildet ist.
EP10752820A 2009-09-15 2010-09-14 Aktuator mit mehrfachwirkung Withdrawn EP2477866A1 (de)

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DE102009041110A DE102009041110A1 (de) 2009-09-15 2009-09-15 Aktuator mit Mehrfachwirkung
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