EP2552761B1 - Schienenfahrzeug mit variabler achsgeometrie - Google Patents

Description

• Schienenfahrzeug mit variabler Achsgeometrie.
Technisches Gebiet
• Die Erfindung betrifft ein Schienenfahrzeug mit variabler Achsgeometrie.
Stand der Technik
• Die zur Spurführung erforderlichen Kräfte entstehen im Kontaktbereich von Rad und Schiene, dem Rad-Schiene Kontakt. Diese Kräfte sind allerdings auch für negative Effekte an den Schienen und Rädern verantwortlich. So verursachen Tangentialkräfte, die immer mit Gleiteffekten und somit mit Reibleistungen verbunden sind, Profilverschleiß durch Materialabtrag. Weiters ermüden die an Rad und Schiene angreifenden Kräfte bei genügend hohem Kraftniveau den Werkstoff, es kommt zur Rollkontaktermüdung (Rolling Contact Fatigue, RCF). Dadurch entstehen z.B. feine Risse in der Schiene und/oder im Rad. Eine typische dadurch verursachte Schadensform an der Schienenoberfläche stellen Head Checks dar. Im Rad können Risse unter der Oberfläche entstehen, nach außen wachsen und zu größeren Ausbröckelungen führen. Die Risse können aber auch an der Oberfläche entstehen, in die Tiefe wachsen und ebenfalls zu Materialausbrüchen führen, wie es z.B. beim bekannten Phänomen des Fischgrätmusters geschieht. Bei oberflächeninitierten Rissen gibt es den Effekt, dass die Anrisse zum Teil durch den erwähnten Profilverschleiß wieder entfernt werden woraus folgt, dass ein gewisses Maß an Profilverschleiß mitunter erwünscht sein kann. Neben den erwähnten Laufflächenschäden treten noch eine Reihe weiterer Schadensformen wie z.B. Flachstellen, Materialauftragung, Laufflächenquerrisse usw. auf.
• Dem Rad-Schiene Kontakt kommt daher, beispielsweise auch bei Hochgeschwindigkeitszügen, eine besondere sicherheitsrelevante Bedeutung zu. Unregelmäßigkeiten am Rad-Schiene Kontakt, beispielsweise durch schwere Beschädigung eines Rades, können zu erheblichen Folgeschäden bis hin zum Entgleisen führen. Aber auch leichte Beschädigungen wie feine Risse können große Schwierigkeiten verursachen, da sie Instandhaltungsarbeiten erforderlich machen und somit hohe Kosten und Verspätungen im Zugverkehr verursachen können.
• Es sind daher eine Reihe mechanischer Vorrichtungen zur Spurführung eines Schienenfahrzeuges bekannt. Viele der bekannten Systeme gehen davon aus, dass bei Bogenfahrten die Radialstellung der Räder im Gleis optimal ist, um die auf die Losradsätze oder Radsätze eines Fahrwerks oder Fahrzeugs wirkenden Kräfte zu reduzieren. Dadurch, wird argumentiert lassen sich die Reibleistung und damit auch der Profilverschleiß im Rad-Schienekontakt verringern.
• Beispielsweise beschreibt die EP 0 600 172 A1 ein Fahrwerk für Schienenfahrzeuge, bei dem die Radsätze bei Bogenfahrten mittels kraftgeregelter Stellglieder gegen den Drehgestellrahmen ausgedreht werden. Dabei wird aber keine Radialstellung der Radsätze relativ zum Gleis realisiert, sondern nur der Winkel zwischen Radsatz und Fahrwerksrahmen entsprechend der Radialstellung eingestellt. Damit stellt sich zwar in vielen Betriebszuständen ein günstiges Verschleißverhalten ein, jedoch entspricht dieses nicht dem Optimum.
• Die DE 44 13 805 A1 offenbart ein selbstlenkendes dreiachsiges Laufwerk für ein Schienenfahrzeug, bei dem die äußeren beiden Radsätze mit einer Radialsteuerung versehen sind und der innere Radsatz durch ein aktives Stellglied quer zur Fahrtrichtung beweglich ist. Dadurch werden die Seitenkräfte auf die Außenradsätze vermindert - bei geeigneter Beaufschlagung des aktiven Stellgliedes wirkt auf jeden Radsatz ein Drittel der Fliehkraft. Damit werden alle drei Radsätze zur Steuerung bei Kurvenfahrt herangezogen, die Ausrichtung der Radsätze zur Bogenmitte wird verbessert.
• Ein weiteres Verfahren dieser Art findet sich in der EP 1 609 691 A1 der Anmelderin.
• Allen diesen Verfahren ist gemein, dass sie darauf abzielen, die Reibleistung im Rad-Schiene Kontakt und somit den Profilverschleiß zu minimieren. Bei diesen Verfahren wird die Stellung der Räder relativ zum Gleis so beeinflusst, dass Gleiteffekte im Kontaktpunkt vermieden bzw. minimiert werden. Allerdings kommt es auch durch Rollkontaktermüdung zu Schäden an Schiene und Rad. Zur Behebung dieser Schäden kann ein gewisses Maß an Reibleistung durchaus erwünscht sein, da entstandene Risse im Material dadurch an der Oberfläche abgetragen werden können. Ein Minimum an Reibleistung entspricht daher also nicht immer einem optimalen Belastungsverhältnis im Rad-Schiene Kontakt.
• Aus der nicht vorveröffentlichten Anmeldung A942/2007 "Verfahren zur Minimierung von Laufflächenschäden und Profilverschleiß von Rädern eines Schienenfahrzeugs" der Anmelderin beim österreichischen Patentamt ist ein modellbasiertes Verfahren zur Optimierung des Verschleißverhaltens von Schienenfahrzeugrädern bekannt. In diesem Verfahren wird mittels aktuatorgesteuerter Verschiebung (Querverschiebung der Losradsatz- bzw. Radsatzachsen oder Winkelschiebung zwischen den Achsen) auf Basis von ermittelten Meßgrößen der Laufflächenverschleiß optimiert.
  Dabei sind verschiedene Fahrwerksgeometrien vorgesehen, welche die Winkel- und Querverschiebung der Achsen ermöglichen. Die dazu erforderlichen sogenannten Queraktuatoren erschweren die Konstruktion des Fahrwerks außerordentlich.
Darstellung der Erfindung
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Schienenfahrzeug mit variabler Achsgeometrie anzugeben, welches beliebige, mittels eines modellbasierenden Verfahrens bestimmte Lagen (Winkellage und Querverschiebung) der Achsen zueinander während der Fahrt des Schienenfahrzeugs einstellen kann und der dazu benötigte Aufwand an Aktuatoren minimiert wird.
• Die Aufgabe wird durch ein Schienenfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einem Drehgestell mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand abhängiger Ansprüche.
• Dem Grundgedanken der Erfindung nach wird jede Achse eines Schienenfahrzeugs horizontal winkelverschiebbar gegenüber dem Fahrzeugrahmen gelagert und kann mittels eines zugeordneten Aktuators während des Betriebs des Schienenfahrzeugs kontinuierlich und unabhängig von den anderen Achsen in ihrer horizontalen Winkellage verändert werden, wobei die Winkellage jeder Achse von einem Optimierungsverfahren vorgegeben wird.
• Das erfindungsgemäße Schienenfahrzeug, bzw. das erfindungsgemäße Drehgestell eignen sich besonders vorteilhaft für die Umsetzung des in der nicht vorveröffentlichten Anmeldung A942/2007 beschriebenen Verfahrens zur Optimierung des Verschleißverhaltens, da der konstruktive Aufwand durch gegenständliche Erfindung sehr vereinfacht wird. Besonders wesentlich ist der Entfall eines konstruktiv äußerst aufwendigen sogenannten "Queraktuators". Ebenso ermöglicht die gegenständliche Erfindung den Einsatz konstruktiv einfacher Aktuatoren (beispielsweise Hydraulik- oder Pneumatikzylinder oder elektrische Aktuatoren). Das in A942/2007 beschriebenen Verfahren liefert als Ausgangsgrößen die Winkellage da zwischen zwei Achsen und die sogenannte Querverschiebung. Diese beiden Größen können mit einem Schienenfahrzeug gemäß der gegenständlichen Erfindung ausschließlich durch das Einstellen bestimmter horizontaler Winkel der Achsen zum Fahrzeugrahmen eingestellt werden, wodurch ein ruhiger Lauf des Schienenfahrzeugs und ein optimiertes Verschleißverhalten der Räder erzielt wird.
• Mit gegenständlicher Erfindung wird der Vorteil erreicht, dass jeweils optimale Werte der Winkellage da und Querverschiebung eingestellt werden können, wobei ausschließlich der horizontale Winkel jeder Achse zum Fahrzeugrahmen als variabel vorzusehen ist. Insbesonders ermöglicht die vorliegende Erfindung den Entfall der konstruktiv sehr aufwendigen Queraktuatoren.
  Die erfindungsgemäße sogenannte asymmetrische Ansteuerung ermöglicht es mittels der asymmetrischen Aufteilung des Winkels da zwischen zwei Achsen auf zwei unterschiedliche Winkel α1 und α2 die gezielte Einstellung der Querverschiebung vorzunehmen ohne für die Querverschiebung einen Aktuator vorsehen zu müssen.
• Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, einen Festpunkt (vertikaler Drehpunkt) jeder Achse an einem Ende der Achse vorzusehen und einen Aktuator, welcher am anderen Ende der Achse angreift zuzuordnen. Dieser Aktuator ist erfindungsgemäß an einer Seite an einem festen Punkt des Fahrzeugrahmens gelagert befestigt und an einer zweiten Seite an der horizontal winkelverschiebbaren Lagerung der zugeordneten Achse des Schienenfahrzeugs befestigt. Somit gelingt es, mittels Modulation der Länge des Aktuators beliebige horizontale Winkelstellungen jeder Achse zu erzielen.
• Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass an aufeinanderfolgenden Achsen die ihnen zugeordneten Aktuatoren abwechselnd an gegenüberliegenden Enden der Achsen angreifen, sodass beispielsweise auf eine Achse, deren Aktuator auf einer Seite des Schienenfahrzeugs angeordnet ist, eine Achse deren Aktuator auf der gegenüberliegenden Seite des Schienenfahrzeugs angeordnet ist, folgt. Dadurch ist der Vorteil erzielbar, den im Fahrwerk des Schienenfahrzeugs vorhandenen Platz optimal ausnützen zu können.
  Andere Ausführungsformen, bei welchen beispielsweise die Aktuatoren aller Achsen an einer Seite des Schienenfahrzeugs vorgesehen sind, sind ebenfalls denkbar.
• Eine besondere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, die Achsen des Schienenfahrzeugs als sogenannter "Losradsatz" auszuführen, bei welchem die Räder auf einer Welle (Achse) gelagert sind und sich unabhängig voneinander drehen können.
• Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht den Einsatz von sogenannten "Radsätzen" vor, bei welchen die Räder fest mit der Achse verbunden sind.
• Die Erfindung eignet sich gut zum Einsatz in einem Drehgestell eines Schienenfahrzeugs.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
• Es zeigen beispielhaft:
• Fig.1 ein Schienenfahrzeug mit variabler Achsgeometrie.
• Fig.2 die Ausgangsgrößen eines modellbasierenden Verfahrens zur Minimierung von Laufflächenschäden und Profilverschleiß.
• Fig.3 Bestimmung der horizontalen Winkel jeder Achse.
• Fig.4 Bestimmung der Auslenkung von Aktuatoren.
Ausführung der Erfindung
• Fig.1 zeigt beispielhaft und schematisch den prinzipiellen Aufbau eines Schienenfahrzeugs mit variabler Achsgeometrie. Ein Schienenfahrzeug S umfassend zwei Achsen A1, A1 welche um jeweils einen Drehpunkt an einem Ende jeder Achse A1, A2 horizontal drehbar gelagert sind. An der jeweils dem Drehpunkt gegenüberliegenden Seite jeder Achse A1, A2 greift am Ende jeder Achse A1, A2 jeweils ein Aktuator AKT1, AKT2 an, welcher an seinem anderen Ende mit dem Rahmen des Schienenfahrzeugs S verbunden ist. Mittels Modulation der Länge der Aktuatoren AKT1, AKT2 kann somit für jede Achse A1, A2 ein eigener bestimmter horizontaler Winkel α1, α2 eingestellt werden. Werden für aufeinanderfolgende Achsen unterschiedliche horizontale Winkel α1, α2 eingestellt, so ergibt sich eine Querverschiebung dy und ein Achsenwinkel da von α1 + α2 zwischen diesen Achsen. Es zeigt sich, dass neben dem Achsenwinkel da die Querverschiebung dy einen entscheidenden Einfluss auf das Verschleiß- bzw. Schädigungsverhalten des Fahrzeugs hat.
• Diese Querverschiebung dy ist geometrisch dadurch definiert, dass sich die Normalen N1, N2 auf die Mittelpunkte der Radachsen nicht in der Symmetrieebene S des Drehgestelles treffen, sondern in dieser Symmetrieebene S einen Abstand aufweisen.
• Erfindungsgemäß wird die Querverschiebung dy zusammen mit der Radialstellung der Achsen durch die gezielte Einstellung der Achsenwinkel α1, α2 der Achsen erzielt. Damit ist eine einfache und zuverlässige Einstellmöglichkeit der Querverschiebung dy bei geringem Aufwand an Aktuatoren gegeben.
• Fig.2 zeigt beispielhaft und schematisch die Ausgangsgrößen eines modellbasierenden Verfahrens zur Minimierung von Laufflächenschäden und Profilverschleiß.
  Es ist ein Schienenfahrzeug mit zwei Achsen A1 und A2 dargestellt, welche zueinander beliebige horizontale Winkellagen (Achsenwinkel da) einnehmen können und welche eine Querverschiebung dy zueinander aufweisen. Dem Achsabstand L entspricht die Entfernung zwischen den Mittelpunkten der Achsen A1 und A2. Der effektive Achsabstand kann, da üblicherweise nur sehr geringe Achsenwinkel da auftreten, näherungsweise dem Achsabstand L gleichgesetzt werden. Die beiden Größen Achsenwinkel da und Querverschiebung dy werden mittels eines modellbasierenden Verfahrens so bestimmt, dass unter anderem ein optimales Verschleißverhalten von Laufrädern und Schienenprofilen erreicht wird.
• Fig.3 zeigt beispielhaft und schematisch die Bestimmung der horizontalen Winkel jeder Achse, wobei aus den vorgegeben Größen Achsenwinkel da und Querverschiebung dy jene Kombination aus dem horizontalen Winkel der ersten Achse α1 und horizontalen Winkel der zweiten Achse α2 bestimmt wird.
• Aus den Beziehungen $$\alpha 1+\alpha 2=\mathit{d\alpha }$$

  

  und $$\mathit{dy}=\frac{L}{2}\left(\sin \alpha 2-\sin \alpha 1\right)$$

  

  für kleine Winkel näherungsweise $$\mathit{dy}=\frac{L}{2}\left(\alpha 2-\alpha 1\right)$$

  

  bestimmen sich der horizontale Winkel der ersten Achse α1: $$\Rightarrow \alpha 1=\frac{\mathit{d\alpha }}{2}-\frac{\mathit{dy}}{L}$$

  

  und der horizontale Winkel der zweiten Achse α2: $$\Rightarrow \alpha 2=\frac{\mathit{d\alpha }}{2}+\frac{\mathit{dy}}{L}$$

  
• Fig.4 zeigt beispielhaft und schematisch die Bestimmung der Auslenkung von Aktuatoren bei einem Schienenfahrzeug gemäß Fig1. Das in Fig.1 dargestellte Schienenfahrzeug ist an jeder der Achsen A1, A2 mit jeweils einem Aktuator AKT1, AKT2 ausgestattet, welcher Ende jeder Achse A1, A2 angreift. Aus den gemäß Fig.3 bestimmten einzelnen Winkeln α1 und α2 kann bei vorgegebener Achslänge A die erforderliche Auslenkung jedes Aktuators gemäß: $$s1=A\cdot \tan \alpha 1$$

  

  und $$s2=A\cdot \tan \alpha 2$$

  

  ermittelt werden.
Liste der Bezeichnungen

S

Schienenfahrzeug

A1

erste Achse

A2

zweite Achse

AKT

Aktuator

AKT1

Aktuator der ersten Achse

AKT2

Aktuator der zweiten Achse

α

horizontaler Winkel

α1

horizontaler Winkel der ersten Achse

α2

horizontaler Winkel der zweiten Achse

dα

Achsenwinkel

dy

Querverschiebung

L

Achsabstand

A

Achslänge

S1

Auslenkung des Aktuators der ersten Achse

S2

Auslenkung des Aktuators der zweiten Achse

Claims (10)

1. Schienenfahrzeug (S) mit variabler Achsgeometrie mit mindestens zwei Achsen (A1, A2), wobei die horizontale Winkellage (a) jeder Achse gegenüber dem Fahrzeugrahmen veränderbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkellage (a) jeder Achse während des Betriebs des Schienenfahrzeugs durch Aktuatoren kontinuierlich so eingestellt wird, dass eine vorgegebene Querverschiebung (dy) und ein vorgegebener Achsenwinkel (dα) erzielt wird, wobei einem Achsabstand (L) eine Entfernung zwischen Mittelpunkten der Achsen (A1) und (A2) entspricht, ein Winkel einer ersten Achse (α1) aus einer Beziehung α1 = $\frac{\mathit{d\alpha }}{2}-\frac{\mathit{dy}}{L}$

   

   bestimmt wird und ein Winkel einer zweiten Achse 2 L (α2) aus einer Beziehung $\alpha 2=\frac{\mathit{d\alpha }}{2}+\frac{\mathit{dy}}{L}$

   

   bestimmt wird.
2. Schienenfahrzeug (S) mit variabler Achsgeometrie gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Querverschiebung (dy) und der Achsenwinkel (dα) mittels eines modellbasierenden Verfahrens bestimmt wird.
3. Schienenfahrzeug (S) mit variabler Achsgeometrie gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Achsen als Losradsätze ausgebildet sind.
4. Schienenfahrzeug (S) mit variabler Achsgeometrie gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Achsen als Radsätze ausgebildet sind.
5. Schienenfahrzeug (S) mit variabler Achsgeometrie gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktuatoren (AKT) von zwei aufeinanderfolgenden Achsen (A1, A2) an den jeweils gegenüberliegenden Seiten der Achsen angebracht sind.
6. Drehgestell mit variabler Achsgeometrie für Schienenfahrzeuge (S) mit mindestens zwei Achsen (A1, A2), wobei die horizontale Winkellage (α) jeder Achse gegenüber dem Drehgestellrahmen veränderbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkellage jeder Achse während des Betriebs des Schienenfahrzeugs durch Aktuatoren kontinuierlich so eingestellt wird, dass eine vorgegebene Querverschiebung (dy) und ein vorgegebener Achsenwinkel (dα) wie beim Anspruch 1 erzielt wird.
7. Drehgestell mit variabler Achsgeometrie gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Querverschiebung (dy) und der Achsenwinkel (dα) mittels eines modellbasierenden Verfahrens bestimmt wird.
8. Drehgestell mit variabler Achsgeometrie gemäß Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Achsen als Losradsätze ausgebildet sind.
9. Drehgestell mit variabler Achsgeometrie gemäß Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Achsen als Radsätze ausgebildet sind.
10. Drehgestell mit variabler Achsgeometrie gemäß Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktuatoren (AKT) von zwei aufeinanderfolgenden Achsen (A1, A2) an den jeweils gegenüberliegenden Seiten der Achsen angebracht sind.

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