EP2861476B1

EP2861476B1 - Fahrzeug mit einer federeinrichtung mit vorgebbarer querfedercharakteristik

Info

Publication number: EP2861476B1
Application number: EP13730553.8A
Authority: EP
Inventors: Richard Schneider
Original assignee: Bombardier Transportation GmbH
Current assignee: Alstom Transportation Germany GmbH
Priority date: 2012-06-19
Filing date: 2013-06-19
Publication date: 2022-08-03
Anticipated expiration: 2033-06-19
Also published as: HUE060066T2; DE102012105310A1; EP2861476A1; ES2929307T3; WO2013189999A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fahrzeug, insbesondere ein Schienenfahrzeug, mit einem Wagenkasten und einer Fahrwerkseinheit, wobei der Wagenkasten über wenigstens eine Federeinrichtung in einer Fahrzeughöhenrichtung auf der Fahrwerkseinheit abgestützt ist. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin eine entsprechende Federeinrichtung eines solchen erfindungsgemäßen Fahrzeugs.
Bei Schienenfahrzeugen (aber auch bei anderen Fahrzeugen) ist der Wagenkasten in der Regel gegenüber den Radeinheiten (beispielsweise Radpaaren oder Radsätzen), über eine oder mehrere Federeinrichtungen in einer Fahrzeughöhenrichtung federnd gelagert. Querbeschleunigungen, welche beispielsweise bei Bogenfahrt in einer Fahrzeugquerrichtung (also quer zur Fahrtrichtung bzw. quer zu einer Fahrzeuglängsachse) wirken, bedingen bei solchen Fahrzeugen in der Regel eine Querauslenkung des Wagenkastens bezüglich der Radeinheiten, welche von den Federeinrichtungen aufgenommen werden müssen.
Hierbei besteht häufig das Problem, dass sich je nach Gestaltung der verwendeten Federeinrichtungen eine gewünschte Querfedercharakteristik (also ein gewünschter Verlauf des Widerstands der Federeinrichtung gegen die Querauslenkung des Wagenkastens) nur mit vergleichweise aufwändigen Mitteln realisieren lässt. Die Querfedercharakteristik ist dabei sowohl im Hinblick auf den Fahrkomfort für die Passagiere aber auch im Hinblick auf die Fahrsicherheit des Fahrzeugs, beispielsweise dessen Entgleisungssicherheit, von Bedeutung.
Bei herkömmlichen Federsystemen, insbesondere bei herkömmlichen Federsystemen mit Luftfedern und/oder Stahlfedern, ist das maßgebliche Kriterium für die Auslegung der Federcharakteristik jedoch naturgemäß zunächst die Stützfunktion in der Fahrzeughöhenrichtung. Dieser Fokus auf die Abstützung des Wagenkastens in der Fahrzeughöhenrichtung lässt in der Regel jedoch wenig Spielraum für eine einfache Anpassung der Querfedercharakteristik (also der Federcharakteristik der Abstützung in der Fahrzeugquerrichtung).
Bei solchen konventionellen Gestaltungen sind daher typischerweise eine oder mehrere in Fahrzeugquerrichtung wirkende separate Federelemente und/oder Dämpferelemente vorgesehen, um die Querfedercharakteristik der Abstützung des Wagenkastens an einem gewünschten Verlauf anzupassen. Hierdurch erhöht sich aber der ohnehin schon vergleichsweise hohe Bauraumaufwand für derartige Federungen noch weiter. Dies ist insbesondere bei modernen Schienenfahrzeugen mit der vergleichsweise hohen Anzahl von im Bereich des Fahrwerks anzuordnenden Komponenten von Nachteil.
Insbesondere im Zusammenhang mit so genannten Niederflurfahrzeugen sind beispielsweise aus der EP 1 029 764 A2 und der EP 1 264 750 A1 hydropneumatische bzw. hydromechanische Federeinrichtungen bekannt, bei denen die Aufnahme der Stützkraft zwischen Wagenkasten und Radeinheit über eine Hydraulikeinheit erfolgt, deren Arbeitsraum über eine Hydraulikleitung mit einem weiteren Arbeitsraum einer hydropneumatischen bzw. hydromechanischen Federeinheit in Verbindung steht, welche die Federwirkung zur Verfügung stellt.
Bei diesen Gestaltungen sind die Anforderungen an den verfügbaren Bauraum zwar etwas relaxiert, da die Federeinheit dank der Hydraulikleitung an einer von der (die Stützkraft vermittelnden) Hydraulikeinheit (nahezu) beliebig weit entfernten Position angeordnet werden kann, an welcher ausreichend Bauraum zur Verfügung steht. Jedoch ist auch hier wiederum die Querfedercharakteristik nur mit ähnlichem Aufwand wie bei den oben beschriebenen Gestaltungen modifizierbar. Demgemäß müssen auch hier in der Regel ein oder mehrere in Fahrzeugquerrichtung wirkende Federelemente und/oder Dämpferelemente vorgesehen werden, um die Querfedercharakteristik der Abstützung des Wagenkastens an einen gewünschten Verlauf anzupassen. Auch bei diesen Gestaltungen ergeben sich somit die oben bereits beschriebenen Nachteile hinsichtlich Aufwands für deren Gestaltung. Problematisch gestaltet sich bei solchen Gestaltungen zudem generell die Aufnahme von Querbewegungen bzw. Querkräften durch die Hydraulikeinheit. So kann beispielsweise die Hydraulikeinheit aus der EP 1 264 750 A1 nur sehr begrenzt Querbewegungen bzw. Querkräfte aufnehmen, während dies in der Hydraulikeinheit der EP 1 029 764 A2 zwar möglich ist, aber durch eine vergleichsweise aufwändige und verschleißanfällige Gestaltung mit einem Rollbalg erkauft wird.
Die EP 1610995 B1 offenbart eine Neigevorrichtung eines Schienenfahrzeugs, wobei Rollen am Fahrwerk und Rollenbahnen am Fahrzeugkasten eine Wankbewegung des Fahrzeugkastens ermöglichen.
Die GB 2473502 A offenbart ein Schienenfahrzeug, wobei die Auslenkung des Fahrzeugkastens die Neigung des Kastens über eine Steuervorrichtung beeinflusst.
Die WO 2010/113045 A2 offenbart ein Schienenfahrzeug mit einer Querfederung, wobei die Neigung des Fahrzeugkastens gesteuert wird.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Fahrzeug bzw. eine
Federeinrichtung der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, welches bzw. welche die oben genannten Nachteile nicht oder zumindest in geringerem Maße aufweist und insbesondere auf einfache und Platz sparende Weise eine Anpassung der Querfedercharakteristik an einen gewünschten Verlauf ermöglicht.
Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe ausgehend von einem Fahrzeug 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 Platz sparende Weise eine Anpassung der Querfedercharakteristik an einen gewünschten Verlauf ermöglicht, wenn die Federeinrichtung ein erstes Kontaktelement, ein zweites Kontaktelement und wenigstens eine Federeinheit umfasst, die derart kinematisch in Serie zwischen dem Wagenkasten und der Fahrwerkseinheit angeordnet sind, dass das erste Kontaktelement bei einer Auslenkung des Wagenkastens in einer Fahrzeugquerrichtung das zweite Kontaktelement an unterschiedlichen Kontaktpunkten wenigstens einer Kontaktpunktkurve kontaktiert.
Über das erste und zweite Kontaktelement kann eine Kopplungseinrichtung in der kinematischen Kette zwischen dem Wagenkasten, der Federeinrichtung und der Fahrwerkseinheit realisiert werden, welche eine Querbewegung des Wagenkastens relativ zur Fahrwerkseinheit in eine Auslenkung der Federeinheit in ihrer Hauptwirkungsrichtung umsetzt, in der sie zur Abstützung des Wagenkastens in der Fahrzeughöhenrichtung wirkt. Unter der Hauptwirkungsrichtung ist dabei im Sinne der vorliegenden Erfindung die Richtung zu verstehen, in welche die Federeinheit primär ihre Federwirkung erzielen soll. Bei einer herkömmlichen zylindrischen Schraubenfeder ist dies beispielsweise die Richtung der Federachse (also der Mittenachse des Zylinders). Je nach der Gestaltung bzw. Anordnung der Federeinheit kann die Hauptwirkungsrichtung der Federeinheit parallel zu der Fahrzeughöhenrichtung verlaufen, sie kann aber auch geneigt zur Fahrzeughöhenrichtung verlaufen.
Die Anpassung der Querfedercharakteristik an einen gewünschten Verlauf wird bei einer vorgegebenen Federcharakteristik der Federeinrichtung in der Fahrzeughöhenrichtung bzw. einer vorgegebenen Federcharakteristik der Federeinheit in ihrer Hauptwirkungsrichtung einfach über die durch den Verlauf der Kontaktpunktkurve definierte Bewegungsübersetzung zwischen der Querbewegung des Wagenkastens und der Auslenkung der Federeinheit in der Hauptwirkungsrichtung erfolgen. Mit anderen Worten ist es über die Anpassung der Kontaktpunktkurve in einfacher Weise möglich, die Querfedercharakteristik einzustellen, ohne Abstriche bei der Optimierung der Federcharakteristik der Federeinrichtung in der Fahrzeughöhenrichtung bzw. der Optimierung der Federcharakteristik der Federeinheit in ihrer Hauptwirkungsrichtung hinnehmen zu müssen.
Die über das erste und zweite Kontaktelement realisierte Bewegungsübersetzung kann auf beliebige geeignete Weise realisiert werden, so kann eine gleitende Bewegung zwischen dem ersten und zweiten Kontaktelement entlang der Kontaktpunktkurve vorgesehen sein. Weiterhin können das erste und zweite Kontaktelement zur Bewegungsübersetzung zumindest abschnittsweise rein translatorische Bewegungen ausführen.
Besonders einfach zu realisierende, robuste und langlebige Gestaltungen ergeben sich jedoch, wenn wenigstens eines der beiden Kontaktelemente im Rahmen der Bewegungsübersetzung zumindest abschnittsweise eine rotatorische Bewegung ausführt. Hierbei kann dann eine Abrollbewegung oder zumindest eine Wälzbewegung zwischen den beiden Kontaktelementen realisiert werden, die nicht zuletzt unter Verschleißgesichtspunkten von Vorteil ist.
Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung daher ein Fahrzeug, insbesondere ein Schienenfahrzeug, mit einem Wagenkasten und einer Fahrwerkseinheit, wobei der Wagenkasten über wenigstens eine Federeinrichtung in einer Fahrzeughöhenrichtung auf der Fahrwerkseinheit abgestützt ist. Die die Federeinrichtung umfasst ein erstes Kontaktelement, ein zweites Kontaktelement und wenigstens eine Federeinheit, wobei das erste Kontaktelement, das zweite Kontaktelement und die wenigstens eine Federeinheit kinematisch in Serie zwischen dem Wagenkasten und der Fahrwerkseinheit angeordnet sind. Das erste Kontaktelement ist derart angeordnet und dem zweiten Kontaktelement derart zugeordnet, dass das erste Kontaktelement bei einer Auslenkung des Wagenkastens in einer Fahrzeugquerrichtung das zweite Kontaktelement an unterschiedlichen Kontaktpunkten wenigstens einer Kontaktpunktkurve kontaktiert, und ist dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Kontaktpunktkurve bei einer Querauslenkung des Wagenkastens zu der Fahrwerkseinheit in einer Fahrzeugquerrichtung eine Querfederungscharakteristik der Federeinrichtung in der Fahrzeugquerrichtung definiert.
Um die oben beschriebene zumindest abschnittsweise eine rotatorische Bewegung eines der Kontaktelemente zu erzielen, ist dabei vorzugsweise vorgesehen, dass das erste Kontaktelement um eine Schwenkachse schwenkbar gelagert ist und dem zweiten Kontaktelement derart zugeordnet ist, dass das erste Kontaktelement bei einer Schwenkbewegung um die Schwenkachse das zweite Kontaktelement an unterschiedlichen Kontaktpunkten der wenigstens einen Kontaktpunktkurve kontaktiert.
Es versteht sich hierbei, dass über die wenigstens eine Kontaktpunktkurve grundsätzlich ein beliebiger Verlauf der Querfederungscharakteristik der Federeinrichtung realisiert werden kann, der an den speziellen Anwendungsfall, beispielsweise den Fahrzeugtyp und/oder die Nennbetriebsgeschwindigkeit des Fahrzeugs angepasst ist. Mit anderen Worten ist es möglich, die Federeinrichtung ohne größeren Aufwand für beliebige Fahrzeuge anzupassen.
So kann sie problemlos für ein Fahrzeug im Personennahverkehr mit vergleichsweise geringen Nennbetriebsgeschwindigkeiten (beispielsweise eine Straßenbahn oder eine U-Bahn) ebenso angepasst werden wie für Fahrzeuge im Regionalverkehr, im Intercityverkehr oder im Hochgeschwindigkeitsverkehr, die dann jeweils immer höhere Nennbetriebsgeschwindigkeiten aufweisen. Besonders gut eignet sich das erfindungsgemäße System für Fahrzeuge mit Neigetechnik, da die mechanische Komplexität des Neigungs- und Federungssystems hiermit drastisch verringert werden kann.
Dabei können, angepasst an den jeweiligen Anwendungsfall, in Abhängigkeit von dem Grad der Querauslenkung zumindest abschnittsweise konstante und/oder lineare und/oder progressive und/oder degressive Verläufe des Widerstands der Federeinrichtung gegen die Querauslenkung des Wagenkastens eingestellt werden.
Bei bevorzugten Varianten des erfindungsgemäßen Fahrzeugs wird das erste Kontaktelement bei einer Querauslenkung des Wagenkastens zu der Fahrwerkseinheit in der Fahrzeugquerrichtung ausgehend von einer Neutralstellung um die Schwenkachse verschwenkt, wobei die wenigstens eine Kontaktpunktkurve eine Querfederungscharakteristik der Federeinrichtung definiert. Die wenigstens eine Kontaktpunktkurve ist dabei bei bestimmten Varianten der Erfindung derart ausgebildet, dass die Federeinrichtung zumindest in einem an die Neutralstellung angrenzenden Querauslenkungsmittenbereich und/oder zumindest in einem von der Neutralstellung beabstandeten äußeren Querauslenkungsbereich einer fortschreitenden Querauslenkung einen Widerstand gegen die Querauslenkung mit zumindest abschnittsweise progressiver Charakteristik entgegensetzt.
Hiermit ist es in vorteilhafter Weise möglich, Querauslenkungen an bestimmten, beliebig vorgebbaren Positionen einen zunehmenden Widerstand entgegenzusetzen. Dies kann beispielsweise im Bereich der Neutralstellung (welche eingenommen wird, wenn das Fahrzeug auf gerader ebener Strecke steht) eine passive Selbstzentrierungswirkung zu erzielen, wie nachfolgend noch näher erläutert wird. Ebenso kann dieser zunehmende Widerstand in weiter von der Neutralstellung entfernten Bereichen dazu genutzt werden, die Funktion einer Bewegungsbegrenzung zu realisieren, wie sie bei herkömmlichen Fahrzeugen typischerweise von seitlichen Anschlägen oder Puffern zur Verfügung gestellt wird. Solche zusätzlichen Anschläge oder Puffern können dann vollständig fehlen, wodurch sich die Gestaltung des Fahrzeugs weiter vereinfacht.
Zusätzlich oder alternativ kann die wenigstens eine Kontaktpunktkurve derart ausgebildet sein, dass die Federeinheit zumindest in einem an die Neutralstellung angrenzenden Querauslenkungsmittenbereich eine in der Fahrzeugquerrichtung wirkende Rückstellkraft auf den Wagenkasten ausübt, welche durch die auf den Wagenkasten wirkende Gewichtskraft bedingt ist und welche bis zu einer im Betrieb des Fahrzeug maximal zu erwartenden Gleisüberhöhung ausreicht, um den Wagenkasten zumindest in die Nähe der Neutralstellung, vorzugsweise im Wesentlichen in die Neutralstellung, zurückzustellen. Diese Selbstzentrierungswirkung kann über den oben beschriebenen Verlauf der Kontaktpunktkurve mit progressivem Widerstand gegen die Querauslenkung realisiert werden.
Zusätzlich oder alternativ kann weiterhin vorgesehen sein, dass die wenigstens eine Kontaktpunktkurve derart ausgebildet ist, dass die Federeinrichtung zumindest in einem von der Neutralstellung beabstandeten äußeren Querauslenkungsbereich einer fortschreitenden Querauslenkung einen Widerstand gegen die Querauslenkung mit zumindest abschnittsweise degressiver Charakteristik entgegensetzt. Hiermit ist es beispielsweise möglich, die weitere Querauslenkung in bestimmten Bereichen sogar zu unterstützen.
Dies ist insbesondere im Zusammenhang mit so genannten Neigesystemen von Vorteil, welche einen Neigungswinkel bzw. einen Wankwinkel des Wagenkastens um eine zur Fahrzeuglängsrichtung parallele Wankachse einstellen, um von den Passagieren des Fahrzeugs als störend empfundene Querbeschleunigungen (wie sie beispielsweise bei Kurvenfahrt wirkt) zu reduzieren. Insbesondere im Zusammenhang mit aktiven Neigesystemen, bei denen die Einstellung des Wankwinkels zumindest teilweise über Aktuatoren erfolgt, ist dies von Vorteil, da die Aktuatoren dann weniger Kraft aufbringen müssen und demgemäß kleiner und leichter ausgelegt sein können.
Weiterhin kann die wenigstens eine Kontaktpunktkurve zusätzlich oder alternativ derart ausgebildet sein, dass die Federeinrichtung einer fortschreitenden Querauslenkung zumindest abschnittsweise einen im Wesentlichen konstanten Widerstand entgegensetzt. Auch dies kann in Abhängigkeit von dem jeweiligen Anwendungsfall gewünscht bzw. von Vorteil sein.
Der Verlauf des Widerstands gegen die Querauslenkungen kann grundsätzlich beliebig eingestellt werden. Insbesondere können zumindest abschnittsweise beliebig gekrümmte (ansteigende oder abfallende) Verläufe der Widerstandskurve über die Gestaltung der Kontaktpunktkurve eingestellt werden. Bei bestimmten Varianten der Erfindung kann es von Vorteil sein, einen linearen Verlauf der Widerstandskurve zu realisieren. Vorzugsweise ist bei diesen Varianten daher die wenigstens eine Kontaktpunktkurve derart ausgebildet, dass die Federeinrichtung einer fortschreitenden Querauslenkung zumindest abschnittsweise einen im Wesentlichen linear (ansteigend oder abfallend) verlaufenden Widerstand entgegensetzt.
Die Abfolge der beiden Kontaktelemente und der Federeinheit in der kinematischen Kette zwischen dem Wagenkasten und der Fahrwerkseinheit kann grundsätzlich beliebig gewählt sein. Insbesondere können die verfügbaren Platzverhältnisse hierbei eine entscheidende Rolle spielen. Hierbei kann die Zuordnung der Federeinheit als auch der beiden Kontaktelemente zum Wagenkasten bzw. zur Fahrwerkseinheit beliebig gewählt sein.
Bei bestimmten Varianten des erfindungsgemäßen Fahrzeugs ist die wenigstens eine Federeinheit in einer kinematischen Kette seriell zwischen das erste Kontaktelement und den Wagenkasten oder zwischen das erste Kontaktelement und die Fahrwerkseinheit geschaltet, wobei das erste Kontaktelement dann bevorzugt entlang einer Hauptwirkungsrichtung der Federeinheit verschieblich gelagert ist. In Abhängigkeit von der Ausrichtung der Federeinheit kann das erste Kontaktelement hierbei in beliebiger Richtung im Raum verschieblich angeordnet sein. Besonders vorteilhafte, weil einfach zu realisierende Konfigurationen ergeben sich, wenn die Hauptwirkungsrichtung im Wesentlichen parallel zur Fahrzeughöhenrichtung verläuft. In diesen Fällen ist dann das erste Kontaktelement in der Fahrzeughöhenrichtung verschieblich gelagert.
Bei weiteren Varianten der Erfindung ist die wenigstens eine Federeinheit zusätzlich (d.h. wenn mehrere Federeinheiten vorgesehen sind) oder alternativ in einer kinematischen Kette seriell zwischen das zweite Kontaktelement und den Wagenkasten oder zwischen das zweite Kontaktelement und die Fahrwerkseinheit geschaltet. Auch hier kann das zweite Kontaktelement in Abhängigkeit von der Ausrichtung der Federeinheit in beliebiger Richtung im Raum verschieblich angeordnet sein. Besonders vorteilhafte, weil einfach zu realisierende Konfigurationen ergeben sich wiederum, wenn die Hauptwirkungsrichtung im Wesentlichen parallel zur Fahrzeughöhenrichtung verläuft. In diesen Fällen ist dann das zweite Kontaktelement in der Fahrzeughöhenrichtung verschieblich gelagert.
Es kann grundsätzlich ausreichen, eine einzige Federeinrichtung zwischen dem Wagenkasten und der Fahrwerkseinheit vorzusehen. Bei bevorzugten Varianten der Erfindung sind jedoch mehrere Federeinrichtungen vorgesehen, welche dann gegebenenfalls noch weitere Funktionen übernehmen können. So können voneinander beanstandete Federeinrichtungen insbesondere Momente um bestimmte Drehachsen aufnehmen.
Demgemäß ist bei bestimmten Varianten der Erfindung beispielsweise vorgesehen, dass der Wagenkasten über wenigstens eine weitere Federeinrichtung in der Fahrzeughöhenrichtung auf der Fahrwerkseinheit abgestützt ist, die insbesondere im Wesentlichen identisch zu der Federeinrichtung ausgebildet ist. Die beiden Federeinrichtungen sind in einer Fahrzeuglängsrichtung um einen Längsabstand zueinander versetzt angeordnet, sodass sie gegebenenfalls ein Nickmoment um eine in Fahrzeugquerrichtung verlaufende Nickachse aufnehmen können. Zusätzlich oder alternativ können die beiden Federeinrichtungen, insbesondere im Wesentlichen äquidistant, zu beiden Seiten eines Drehpunktes des Wagenkastens bezüglich des Fahrwerks um die Fahrzeughöhenrichtung, insbesondere zu beiden Seiten eines Drehzapfens, angeordnet sein, da sich hiermit natürlich eine besonders gleichmäßige Verteilung der Lasten erzielen lässt.
Bei weiteren Varianten der Erfindung ist der Wagenkasten zusätzlich oder alternativ über wenigstens eine weitere Federeinrichtung in der Fahrzeughöhenrichtung auf der Fahrwerkseinheit abgestützt, die insbesondere im Wesentlichen identisch zu der Federeinrichtung ausgebildet ist. Die beiden Federeinrichtungen sind dabei in einer Fahrzeugquerrichtung um einen Querabstand zueinander versetzt angeordnet, wodurch sie ein Wankmoment um eine in Fahrzeuglängsrichtung verlaufende Wankachse aufnehmen können. Auch hier können die beiden Federeinrichtungen zusätzlich oder alternativ, insbesondere im Wesentlichen äquidistant, zu beiden Seiten eines Drehpunktes des Wagenkastens bezüglich des Fahrwerks um die Fahrzeughöhenrichtung, insbesondere zu beiden Seiten eines Drehzapfens, angeordnet sein, um eine günstige Lastverteilung zu erzielen.
Die beiden Federeinrichtungen können bei bestimmten Varianten der Erfindung auch derart gestaltet sein, dass sie keine Nickmomente um eine solche Nickachse und/oder keine Wankmomente um eine solche Wankachse erzeugen bzw. aufnehmen können. Hierdurch kann vermieden werden, dass sich solche Nickmomente bzw. Wankmomente gegebenenfalls negativ auf die Entgleisungssicherheit des Fahrzeugs auswirken. Dies kann über eine rein passive Kopplung der beiden Federeinrichtungen realisiert werden, bei der beispielsweise eine entsprechend gegenläufige (insbesondere fluidisch kommunizierende) Kopplung der beiden Federeinrichtungen vorliegt. Ebenso ist natürlich auch eine aktive Ansteuerung der beiden Federeinrichtungen möglich, welche derart abgestimmt ist, dass keine solchen Nickmomente bzw. Wankmomente erzeugt bzw. aufgenommen werden.
Es versteht sich jedoch, dass bei anderen Varianten der Erfindung auch eine aktive Lösung gewählt sein kann, bei welcher die beiden Federeinrichtungen durch eine Steuereinrichtung aktiv angesteuert werden, um ein bestimmtes vorgebbares Nickmoment und/oder Wankmoment zu erzeugen. Diese Gestaltung kann aktiv dazu genutzt werden, die Entgleisungssicherheit der Fahrwerkseinheit zu erhöhen, indem durch das Nickmoment und/oder Wankmoment einer drohenden kritischen Radentlastung an der Fahrwerkseinheit gezielt aktiv entgegengewirkt wird.
Hierzu kann beispielsweise wenigstens eine Größe am Fahrzeug erfasst werden, welche Rückschlüsse auf die aktuelle Entgleisungssicherheit der Fahrwerkseinheit zulässt. In Abhängigkeit vom aktuell erfassten Wert dieser wenigstens einen Größe kann dann die aktuelle Entgleisungssicherheit bewertet werden und gegebenenfalls eine entsprechende Gegenreaktion über die beiden Federeinrichtungen eingeleitet werden. Hierbei kann gegebenenfalls sowohl für die Bewertung der Entlassungssicherheit als auch für die Ermittlung der Gegenreaktion wenigstens ein zuvor für das Fahrzeug ermitteltes Modell verwendet werden.
Es sei an dieser Stelle erwähnt, dass die aktive gezielte Aufbringung von Kräften und/oder Momenten auf die Fahrwerkseinheit durch wenigstens eine zwischen die Fahrwerkseinheit und den Wagenkasten geschaltete aktive Einheit zur zumindest teilweisen Kompensation von Radentlastungen an der Fahrwerkseinheit einen eigenständig schutzfähigen Erfindungsgedanken darstellt, der insbesondere von der vorstehend bzw. nachstehend beschriebenen Gestaltung der Federeinrichtung unabhängig ist, jedoch besonders vorteilhaft in Kombination mit einer solchen Gestaltung realisiert werden kann.
Die Federeinheiten können grundsätzlich als einfache passive Einheiten ausgebildet sein. Bei besonders vorteilhaften Varianten der Erfindung mit hohem Funktionsintegrationsgrad sind die Federeinheiten der beiden Federeinrichtungen als aktive, durch eine Steuereinrichtung angesteuerte Federeinheiten ausgebildet. Hierbei können in vorteilhafter Weise insbesondere die Federungseigenschaften (insbesondere die Steifigkeit) und/oder die Dämpfungseigenschaften der Federeinheit aktive eingestellt werden.
Mit solchen aktiven Federeinheiten ist es insbesondere möglich, die Funktion von Wankstützen oder Wankstabilisatoren in den Federeinrichtungen zu integrieren. Die Steuereinrichtung kann dann dazu ausgebildet sein, die aktiven Federeinheiten zur aktiven Wankstabilisation des Wagenkastens anzusteuern.
Die Federeinheiten können grundsätzlich auf beliebige geeignete Weise gestaltet sein. So können einfache herkömmliche Stahlfedern, Gummifedern oder Luftfedern einzeln oder in beliebiger Kombination zum Einsatz kommen. Besonders vorteilhafte Konfigurationen ergeben sich, wenn die beiden Federeinrichtungen jeweils eine hydraulische Federeinheit (also beispielsweise eine hydropneumatische, eine hydromechanische oder elektrohydraulische Federeinheit) umfassen, da hiermit besonders Platz sparende bzw. hinsichtlich der Anordnung der Komponenten flexible Konfigurationen erzielt werden können. Insbesondere lassen sich so genannte luftlose Systeme realisieren, bei denen im Bereich der der Fahrwerkseinheit auf (typischerweise aufwändige bzw. groß und schwer bauende) pneumatische Komponenten verzichtet werden kann. Zudem lässt sich bei einer solchen hydraulischen Gestaltung die Funktion der Momentenabstützung besonders einfach in die Federeinrichtungen integrieren bzw. über entsprechend aktive Komponenten realisieren.
Ausdrehbewegungen zwischen dem Wagenkasten und der Fahrwerkseinheit (um eine in der Fahrzeughöhenrichtung verlaufende Drehachse) können durch die Federeinrichtung grundsätzlich auf beliebige geeignete Weise aufgenommen werden. So kann beispielsweise die Kontaktfläche wenigstens eines der beiden Kontaktelemente so gestaltet sein, dass auch bei einer solchen Ausdrehbewegung der Kontakt zwischen den Kontaktflächen der beiden Kontaktelemente erhalten bleibt.
Hierbei können die beiden Kontaktelemente insbesondere so gestaltet sein, dass auch einer solchen Ausdrehbewegung zwischen dem Wagenkasten und der Fahrwerkseinheit über den Verlauf der Kontaktpunktkurve (analog zu dem oben beschriebenen Widerstand gegen eine Querauslenkung) ein Ausdrehwiderstand mit einem beliebigen Verlauf (über den Ausdrehwinkel) entgegengesetzt wird. Insbesondere können auch hier zumindest abschnittsweise progressive und/oder degressive und/oder lineare und/oder konstante Verläufe des Ausdrehwiderstands realisiert werden. Hiermit ist es in vorteilhafter Weise insbesondere über eine oder mehrere von der Drehachse der Ausdrehbewegung beabstandete Federeinrichtungen möglich, die Funktion von herkömmlichen Schlingerdämpfern, Ausdrehendanschlägen oder dergleichen ebenfalls in der Federeinrichtung bzw. den Federeinrichtungen zu integrieren.
Bei besonders vorteilhaften Varianten der Erfindung kann im Übrigen vorgesehen sein, dass in Abhängigkeit von den fahrdynamischen Vorgaben für das jeweilige Fahrzeug über eine entsprechende Gestaltung der Kontaktpunktkurve der Widerstand gegen die Querauslenkung in Abhängigkeit von dem Ausdrehwinkel des Wagenkastens bezüglich der Fahrwerkseinheit einen beliebig vorgebbaren Verlauf aufweist. So kann beispielsweise vorgesehen sein, dass der Verlauf der Querauslenkungswiderstandskurve (also der Verlauf des Querauslenkungswiderstands über der Querauslenkung) unabhängig von dem Ausdrehwinkel gleich bleibt, sich also beispielsweise bei Kurvenfahrt im Wesentlichen dieselbe Querfedercharakteristik ergibt wie bei Fahrt auf gerader Strecke. Ebenso kann mit der vorliegenden Erfindung natürlich auch in einfacher Weise eine Gestaltung realisiert werden, bei der bei Kurvenfahrt eine nach beliebigen Vorgaben von der Fahrt auf gerader Strecke abweichende Querfedercharakteristik erzielt wird.
Dies ist insbesondere wiederum besonders einfach über eine oder mehrere von der Drehachse der Ausdrehbewegung beabstandete Federeinrichtungen realisierbar. Dabei ist es im Übrigen auch möglich, eine unterschiedliche Gestaltung der Kontakteinheiten bzw. der Kontaktpunktkurven der Federeinrichtungen vorzusehen. So kann beispielsweise die Querfedercharakteristik des Federsystems für eine bestimmte Fahrwerkseinheit überwiegend oder sogar ausschließlich von einem Teil der Federeinrichtungen, insbesondere einer einzigen Federeinrichtung, definiert sein, während ein anderer Teil der Federeinrichtungen für diese Fahrwerkseinheit hierzu einen geringeren Beitrag bzw. gegebenenfalls sogar keinen Beitrag liefert. Hiermit ist es insbesondere unter anderem möglich, eine gewünschte Einstellung des Wagenkastens bezüglich der Fahrwerkseinheit bei Kurvenfahrt zu erzielen.
So ist es Insbesondere ist es bei einer konventionellen Abstützung des Wagenkastens auf zwei Fahrwerkseinheiten im Bereich seiner Enden möglich, den Querauslenkungswiderstand primär durch die (in der Fahrzeuglängsrichtung) näher an der Mitte des Wagenkastens liegende mittenseitige Federeinrichtung aufzubringen, während eine (jenseits der Drehachse der Ausdrehbewegung) näher am zugehörigen Ende des Wagenkastens angeordnete endseitige Federeinrichtung einen deutlich geringeren (gegebenenfalls sogar keinen nennenswerten) Beitrag zum Querauslenkungswiderstand liefert. Dies führt bei Bogenfahrt infolge der Ausdrehbewegung der Fahrwerkseinheit dann zu einer Verschiebung des Wagenkastens nach bogenaußen.
Dies liegt daran, dass die bezüglich der Drehachse der Ausdrehbewegung nach bogenaußen auswandernde mittenseitige Federeinrichtung eine erhebliche nach bogenaußen gerichtete Kraft in Fahrzeugquerrichtung auf den Wagenkasten ausübt, während die bezüglich der Drehachse der Ausdrehbewegung nach bogeninnen auswandernde endseitige Federeinrichtung eine deutlich geringere, nach bogeninnen gerichtete Kraft in Fahrzeugquerrichtung auf den Wagenkasten ausübt.
Ebenso wie steht es sich, dass durch eine umgekehrte Wahl des Querauslenkungswiderstands gegebenenfalls auch eine Verschiebung des Wagenkastens nach bogeninnen realisiert werden kann.
Mit anderen Worten ist über eine solche Gestaltung möglich, in vorteilhafter Weise eine Anpassung des Kurvenfahrtverhaltens des Fahrzeugs an ein bestimmtes vorgegebenes Begrenzungsprofil zu erzielen bzw. die Transportkapazität des Fahrzeugs durch breitere Wagenkästen zu erhöhen, welche dank der eingestellten Querverschiebung bei Bogenfahrt trotzdem noch ein vorgegebenes Begrenzungsprofil einhalten. Insbesondere bei der beschriebenen herkömmlichen endseitigen Abstützung vergleichweise langer Wagenkästen auf zwei Fahrwerken kann dies typischerweise durch die beschriebene Verschiebung nach bogenaußen realisiert werden.
Bei bevorzugten Varianten der Erfindung mit reduzierten reibungsbehafteten Relativbewegungen zwischen den beiden Kontaktelementen ist vorgesehen, dass das erste Kontaktelement zum zumindest teilweisen Ausgleich von Ausdrehbewegungen zwischen dem Wagenkasten und dem Fahrwerk um die Fahrzeughöhenrichtung schwenkbar gelagert ist. Zusätzlich oder alternativ kann das zweite Kontaktelement zum zumindest teilweisen Ausgleich von Ausdrehbewegungen zwischen dem Wagenkasten und dem Fahrwerk um die Fahrzeughöhenrichtung schwenkbar gelagert sein.
Die Kontaktflächen zwischen dem ersten und zweiten Kontaktelement können grundsätzlich auf beliebige geeignete Weise gestaltet sein, um die wenigstens eine Kontaktpunktkurve zu realisieren. Dabei weist das erste Kontaktelement typischerweise eine erste Kontaktfläche auf, während das zweite Kontaktelement eine zweite Kontaktfläche aufweist, welche die erste Kontaktfläche in dem wenigstens einen Kontaktpunkt kontaktiert. Bei vorteilhaften Varianten der Erfindung sind die die erste Kontaktfläche und die zweite Kontaktfläche derart ausgebildet und miteinander in Eingriff, dass eine Änderung des wenigstens einen Kontaktpunkts bei einer Schwenkbewegung des ersten Kontaktelements im Wesentlichen ohne Schlupf zwischen dem ersten Kontaktelement und dem zweiten Kontaktelement in einer Fahrzeugquerrichtung erfolgt. Durch diese Vermeidung von Schlupf in der Fahrzeugquerrichtung kann in vorteilhafter Weise ein besonders präziser Verlauf der Querfedercharakteristik über der Querauslenkung realisiert werden.
Die Vermeidung von Schlupf zwischen den beiden Kontaktflächen in der Fahrzeugquerrichtung kann auf beliebige geeignete Weise erzielt werden. Bei bevorzugten Varianten der Erfindung sind die erste Kontaktfläche und die zweite Kontaktfläche derart ausgebildet, dass sie über zwei in einer Fahrzeugquerrichtung im Wesentlichen formschlüssig ineinandergreifende, insbesondere nach Art einer Verzahnung ausgebildete, Oberflächen miteinander in Eingriff sind.
Hierbei versteht es sich, dass gegebenenfalls nur ein Teil der beiden Kontaktflächen mit einer solchen Verzahnung ausgestattet sein kann, um den Schlupf in der Fahrzeugquerrichtung zu vermeiden, während andere Teile der beiden Kontaktflächen, welche primär die Übertragung der Stützkraft in der Fahrzeughöhenrichtung übernehmen, einander ohne eine solche Verzahnung kontaktieren. Hiermit ist in vorteilhafter Weise eine Anpassung dieser Bereiche an die jeweilige primäre Kraftübertragungsrichtung möglich.
Auch die Materialwahl für die beiden Kontaktelemente kann im Bereich der Kontaktflächen an den jeweiligen Anwendungsfall angepasst sein. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die erste Kontaktfläche und/oder die zweite Kontaktfläche aus einem Material ausgebildet ist, das einen Kunststoff, vorzugsweise ein Elastomer, weiter vorzugsweise Polyurethan, umfasst. Hiermit lassen sich im Hinblick auf die Verschleißeigenschaften und insbesondere die Dämpfungseigenschaften (beispielsweise die Dämpfung von Körperschall) besonders günstige Konfigurationen erzielen.
Die Verwendung eines Kunststoffmaterials hat zudem den Vorteil, dass Relativbewegungen der beiden Kontaktelemente parallel zur Fläche der aktuellen Kontaktzone (zwischen den beiden Kontaktflächen) durch eine elastische Schubverformung des Kunststoffmaterials in der Richtung der Relativbewegung aufgenommen werden können, sodass es zu keinem Schlupf zwischen den beiden Kontaktelementen kommt.
Es versteht sich jedoch, dass es bei bestimmten Varianten der Erfindung möglich ist, wenigstens eines der Kontaktelemente aus einem Metall, insbesondere Stahl, oder einem entsprechend harten Kunststoff auszuführen.
Die Längsmitnahme des Wagenkastens (also die Übertragung von in der Fahrzeuglängsrichtung wirkenden Längskräften zwischen dem Wagenkasten und der Fahrwerkseinheit) kann grundsätzlich auf beliebige geeignete Weise erfolgen. Beispielsweise kann hierzu eine herkömmliche Mitnahme über ein entsprechendes Drehgelenk zwischen dem Wagenkasten und der Fahrwerkseinheit, beispielsweise ein Drehzapfen, vorgesehen sein. Bei bevorzugten Varianten des erfindungsgemäßen Fahrzeugs ist auch diese Funktion der Längsmitnahme zumindest teilweise in der Federeinrichtung integriert. Hierzu können beispielsweise zur Übertragung von Kräften in einer Fahrzeuglängsrichtung zwischen dem ersten Kontaktelement und dem zweiten Kontaktelement zwei in einer Fahrzeuglängsrichtung zu beiden Seiten des ersten Kontaktelements und des zweiten Kontaktelements angeordnete Anschlagelemente vorgesehen sein. Zusätzlich oder alternativ kann die Federeinheit zur Übertragung von Kräften in einer Fahrzeuglängsrichtung wenigstens eine zur Mitnahme in der Fahrzeuglängsrichtung ausgebildete Führungseinrichtung umfassen. Hierbei kann es sich, insbesondere bei einer hydraulischen Ausführung der Federeinrichtung, um eine Kolbenführung dieser Federeinrichtung handeln.
Die Federeinheit kann, wie erwähnt, grundsätzlich beliebig gestaltet sein. Vorzugsweise umfasst die Federeinheit ein hydraulisches Federelement, insbesondere ein hydropneumatisches oder ein elektrohydraulisches Federelement. Bei aktiven Varianten der Federeinheit kann dieses bevorzugt durch eine aktive Hydraulikeinheit versorgt werden. Die Hydraulikeinheit kann dabei grundsätzlich an beliebiger Stelle im Fahrzeug angeordnet sein. Bevorzugt wird sie an dem Fahrwerk angeordnet. Ebenso versteht es sich aber, dass die Hydraulikeinheit auch in der Federungseinrichtung integriert sein kann.
Weiterhin kann die Federeinheit bei bestimmten Varianten der Erfindung ein passives Notfederelement umfassen. Auch dieses kann grundsätzlich an beliebiger geeigneter Stelle angeordnet sein. Vorzugsweise ist das Notfederelement kinematisch in Serie mit einem weiteren, insbesondere aktiven, Federelement der Federeinheit angeordnet, sodass eine besonders einfache und kompakte Gestaltung erzielt wird. Auch das Notfederelement kann grundsätzlich auf beliebige geeignete Weise gestaltet sein. Bei besonders einfachen und robusten Gestaltungen umfasst das Notfederelement wenigstens eine Gummifeder.
Zusätzlich oder alternativ kann auch das erste Kontaktelement und/oder das zweite Kontaktelement ein passives Notfederelement umfassen. Auch dieses Notfederelement kann wiederum wenigstens eine Gummifeder umfassen.
Bei weiteren bevorzugten Varianten der Erfindung ist die Federeinheit als aktive, durch eine Steuereinrichtung angesteuerte Federeinheit ausgebildet, wobei die Steuereinrichtung dann insbesondere dazu ausgebildet ist, die Federeinheit zur Modifikation einer Federcharakteristik der Federeinheit anzusteuern. Zusätzlich oder alternativ kann die Steuereinrichtung auch dazu ausgebildet sein, die Federeinheit zur Niveauregulierung der Federeinheit und damit auch des Wagenkastens anzusteuern.
Bei weiteren bevorzugten Varianten der Erfindung kann die Federeinheit wenigstens eine passive Dämpfereinrichtung und/oder wenigstens eine aktive Dämpfereinrichtung umfassen, wodurch der Grad der Funktionsintegration und damit die Bauraumersparnis noch weiter vorangetrieben werden kann. Insbesondere bei hydraulischen Federeinheiten lässt sich eine solche Dämpfereinrichtung einfach über ein oder mehrere passive und/oder aktive Drosselventile oder dergleichen realisieren. Insbesondere kann die Steuereinrichtung dann dazu ausgebildet ist, die aktive Dämpfereinrichtung zur Modifikation einer Dämpfungscharakteristik der Federeinheit anzusteuern.
Bei weiteren bevorzugten Varianten des erfindungsgemäßen Fahrzeugs ist eine Erfassungseinrichtung zur Erfassung wenigstens einer für den Zustand der Fahrwerkseinheit repräsentativen Erfassungsgröße vorgesehen. Hierzu kann die Federeinheit beispielsweise eine Messeinrichtung der Erfassungseinrichtung aufweisen, die insbesondere zur Höhenmessung (mithin also zur Messung des Höhenniveaus des Wagenkastens) und/oder Druckmessung an der Federeinheit dienen kann. Hierbei kann eine mit der Erfassungseinrichtung verbundene Steuereinrichtung vorgesehen sein, welche die Signale der Erfassungseinrichtung verarbeitet und die Federeinheit in Abhängigkeit von den Signalen der Erfassungseinrichtung. Hierüber kann eine Niveauregulierung und/oder eine Wankkompensation, und/oder eine aktive Federung und/oder eine aktive Dämpfung ebenso realisiert werden wie eine aktive Erhöhung der Entgleisungssicherheit, insbesondere eine aktive Erhöhung der Entgleisungssicherheit durch Aufbringen eines Nickmomentes, das einer Radentlastung entgegenwirkt.
Bei weiteren Varianten der Erfindung ist eine Wankstützeinrichtung vorgesehen, die Wankstützeinrichtung kinematisch parallel zu der Federeinheit angeordnet ist und in herkömmlicher und hinlänglich bekannter Weise Wankbewegungen des Wagenkastens um eine zur Fahrzeuglängsrichtung parallele Wankachse entgegenwirkt. Zusätzlich oder alternativ kann die die Wankstützeinrichtung zwei Pendelelemente umfassen, welche (beispielsweise durch eine schräg gestellte Anordnung ihrer Längsachsen in deren Schnittpunkt) einen Momentanpol einer Wankbewegung des Wagenkastens definieren. Die Querfedercharakteristik kann dann über die Gestaltung der Kontaktpunktkurve auf die Lage des Momentanpols abgestimmt sein, um ein bestimmtes Wankverhalten (insbesondere einen bestimmten Verlauf des Neige- bzw. Wankwinkels) des Wagenkastens bei einer Querauslenkung des Wagenkastens zu erzielen.
Bei weiteren bevorzugten Varianten des erfindungsgemäßen Fahrzeugs ist eine Aktuatoreinrichtung vorgesehen, die dazu ausgebildet ist, angesteuert durch eine Steuereinrichtung eine Querauslenkung des Wagenkastens bezüglich des Fahrwerks in einer Fahrzeugquerrichtung zu erzeugen. Insbesondere bei solchen Gestaltungen kann die Querfedercharakteristik über die Gestaltung der Kontaktpunktkurve dann auf die Bauart und Leistungsfähigkeit der Aktuatoreinrichtung abgestimmt sein. Mithin kann der Widerstand gegen eine Querauslenkung des Wagenkastens so eingestellt werden, dass eine vergleichsweise kleine Aktuatoreinrichtung ausreicht, um eine gewünschte Querauslenkung zu erzielen.
Die vorliegende Erfindung lässt sich in Verbindung mit beliebigen Fahrzeugen für beliebige Einsatzzwecke einsetzen. Vorzugsweise ist das Fahrzeug für einen Hochgeschwindigkeitsverkehr mit einer Nennbetriebsgeschwindigkeit oberhalb von 250 km/h, insbesondere oberhalb von 350 km/h, ausgebildet.
Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin eine Federeinrichtung für ein Fahrzeug, insbesondere ein Schienenfahrzeug, welche die oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Fahrzeug beschriebenen Merkmale und Eigenschaften aufweist.
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 Schnittansicht einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fahrzeugs in Neutralstellung mit einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Federeinrichtung;
Figur 2: eine schematische Schnittansicht eines Teils des Fahrzeugs aus Figur 1 im Bereich der Federeinrichtung;
Figur 3: eine weitere schematische Schnittansicht eines Teils des Fahrzeugs aus Figur 1 im Bereich der Federeinrichtung (in der Schnittebene aus Figur 2 bzw. entlang Linie III-III aus Figur 4);
Figur 4: eine schematische Schnittansicht entlang Linie IV-IV aus Figur 3;
Figur 5: eine schematische Darstellung des Verlaufs der Kontaktflächen, der Kontaktpunktkurve sowie des Querauslenkungswiderstands der Federeinrichtung aus Figur 1;
Figur 6: eine schematische Schnittansicht einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fahrzeugs in Neutralstellung mit einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Federeinrichtung;
Figur 7: eine schematische Darstellung des Verlaufs der Kontaktflächen, der Kontaktpunktkurve sowie des Querauslenkungswiderstands der Federeinrichtung aus Figur 6;
Figur 8: eine schematische Darstellung des Verlaufs der Kontaktflächen, der Kontaktpunktkurve sowie des Querauslenkungswiderstands einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Federeinrichtung.

Erstes Ausführungsbeispiel

Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 5 ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Fahrzeugs in Form eines Schienenfahrzeugs 101 beschrieben. Das Fahrzeug 101 ist für den Hochgeschwindigkeitsverkehr mit einer Nennbetriebsgeschwindigkeit oberhalb von 250 km/h, insbesondere oberhalb von 350 km/h, ausgelegt.
Die Figur 1 zeigt eine schematische Schnittansicht des Fahrzeugs 101 in einer Schnittebene senkrecht zu dessen Fahrzeuglängsachse. Das Fahrzeug 101 umfasst einen Wagenkasten 102, der im Bereich seines ersten Endes auf einer Fahrwerkseinheit in Form eines Drehgestells 104 abgestützt ist und im Bereich seines zweiten Endes auf einem weiteren Fahrwerk in Form eines weiteren Drehgestells abgestützt ist. Das Drehgestell 104 und das weitere Drehgestell sind identisch gestaltet, sodass im Folgenden nur auf die Merkmale des Drehgestells 104 eingegangen wird. Es versteht sich jedoch, dass die vorliegende Erfindung auch in Verbindung mit anderen Konfigurationen eingesetzt werden kann, bei denen andere Fahrwerksgestaltungen verwendet werden bzw. der Wagenkasten auf einer anderen Anzahl von Fahrwerken, beispielsweise auch nur einem Fahrwerk, abgestützt ist. Weiterhin können auch zwei Wagenkästen auf einer Fahrwerkseinheit abgestützt werden, wie dies beispielsweise bei so genannten Jakobsdrehgestellen der Fall ist.
Zum einfacheren Verständnis der nachfolgenden Erläuterungen ist in den Figuren ein (durch die Radaufstandsebene des Drehgestells 104 vorgegebenes) 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 Drehgestell 104, umfasst in herkömmlicher Weise zwei Radeinheiten in Form von Radsätzen 104.1, auf denen sich jeweils über eine Primärfederung 103.1 ein Drehgestellrahmen 104.2 abstützt. Der Wagenkasten 102 ist wiederum über die Sekundärfederung 103.2 auf dem Drehgestellrahmen 104.2 abgestützt. Die Primärfederung 103.1 ist in Figur 1 vereinfachend durch Schraubenfedern dargestellt. Es versteht sich jedoch, dass es sich bei der Primärfederung 103.1 um eine beliebige geeignete Federeinrichtung handeln kann.
Das Fahrzeug 101 umfasst weiterhin im Bereich des Drehgestells 104 eine Wankkompensationseinrichtung 105. Die Wankkompensationseinrichtung 105 wirkt kinematisch parallel zu der Sekundärfederung 103.2 zwischen dem Drehgestellrahmen 104.2 und dem Wagenkasten 102 in der nachfolgend noch näher beschriebenen Weise.
Wie insbesondere Figur 1 zu entnehmen ist umfasst die Wankkompensationseinrichtung 105 eine hinlänglich bekannte Wankstütze 106, die einerseits mit dem Drehgestellrahmen 104.2 und andererseits mit dem Wagenkasten 102 verbunden ist. Die Wankstütze 106 umfasst einen Torsionsarm in Form eines ersten Hebels 106.1 und einen zweiten Torsionsarm in Form eines zweiten Hebels 106.2. Die beiden Hebel 106.1 und 106.2 sitzen zu beiden Seiten der Längsmittenebene (xz-Ebene) des Fahrzeugs 101 jeweils drehfest auf den Enden einer Torsionswelle 106.3 der Wankstütze 106. Die Torsionswelle 106.3 erstreckt sich in Querrichtung (y-Richtung) des Fahrzeugs und ist drehbar in Lagerblöcken 106.4 gelagert, die ihrerseits fest mit dem Drehgestellrahmen 104.2 verbunden sind. An dem freien Ende des ersten Hebels 106.1 ist ein erster Lenker 106.5 angelenkt, während an dem freien Ende des zweiten Hebels 106.2 ein zweiter Lenker 106.6 angelenkt ist. Über die beiden Lenker 106.5, 106.6 ist die Wankstütze 106 gelenkig mit dem Wagenkasten 102 verbunden.
In Figur 1 ist der Zustand in der Neutralstellung des Fahrzeugs 101 dargestellt, welche sich bei einer Fahrt in einem geraden und nicht verwundenen Gleis 108 ergibt. In dieser Neutralstellung verlaufen die beiden Lenker 106.5, 106.6 in der Zeichnungsebene der Figur 1 (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 106.5, 106.6 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 106.5, 106.6 bildet mit anderen Worten den Momentanpol einer Wankbewegung des Wagenkastens 102 um diese Wankachse.
Die Wankstütze 106 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 aufgrund der Schrägstellung der Lenker 106.5, 106.6 durch die Wankstütze 106 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 106.5, 106.6 vorgegebenen Kinematik bei einer Auslenkung des Wagenkastens 102 aus der Neutralstellung in der Regel ebenfalls seitlich auswandert.
Bei Bogenfahrt bewirkt die im Schwerpunkt SP des Wagenkastens 102 (aufgrund der vorherrschenden Beschleunigung in Fahrzeugquerrichtung) angreifende Zentrifugalkraft F am Drehgestellrahmen 104.2 eine Wankbewegung nach bogenaußen, die aus einem stärkeren Einfedern der Primärfederung 103.1 auf der Bogenaußenseite resultiert. Die beschriebene Gestaltung der Wankstütze 106 bewirkt bei einer Bogenfahrt des Fahrzeugs 101 im Bereich der Sekundärfederung 103.2 eine Kompensationsbewegung, welche der Wankbewegung des Wagenkastens 102 nach bogenaußen entgegenwirkt, wie dies in Figur 1 durch die gestrichelte Kontur 102.1 angedeutet ist.
Je nach dem Abstand zwischen dem Schwerpunkt SP und dem Momentanpol MP des Wagenkastens 102 (senkrecht zur Wirkebene der Zentrifugalkraft F) wird diese Kompensationsbewegung zum Teil durch die Zentrifugalkraft F bewirkt bzw. unterstützt. Je nach Gestaltung des Fahrzeugs, insbesondere der Wankstütze 106, kann aber auch vorgesehen sein, dass der Momentanpol MP nahe an den Schwerpunkt SP gelegt wird, gegebenenfalls sogar mit diesem zusammenfällt. In diesem Fall liefert die Zentrifugalkraft F nur einen geringen Beitrag bzw. sogar keinen Beitrag mehr zur Auslenkung des Wagenkastens 102. In diesem Fall muss die Kraft für die Kompensationsbewegung teilweise oder gegebenenfalls sogar vollständig durch einen Aktuator 107 der Wankkompensationseinrichtung 105 aufgebracht werden, der zwischen dem Drehgestellsrahmen 104.2 und dem Wagenkasten 102 wirkt.
Dank der durch die Kinematik der Wankstütze 106 vorgegebenen Kompensationsbewegung wird unter anderem der Neigungskomfort für die Passagiere des Fahrzeugs 101 erhöht, da die Passagiere (in ihrem durch den Wagenkasten 102 vorgegebenen Bezugssystem) einen Teil der im erdfesten Bezugssystem (x, y, z) tatsächlich wirkenden Querbeschleunigung a_p bzw. Zentrifugalkraft F_p lediglich als erhöhte Beschleunigungskomponente a_zp bzw. Kraftwirkung F_zp in Richtung des Bodens des Wagenkastens 102 wahrnehmen, die in der Regel als weniger störend bzw. unangenehm empfunden wird. Die von den Passagieren in ihrem Bezugssystem (x_p, y_p, z_p) als störend empfundene, in Querrichtung wirkende Querbeschleunigungskomponente a_yp bzw. Zentrifugalkraftkomponente F_yp wird somit in vorteilhafter Weise reduziert.
Die maximal zulässigen Werte für die im Bezugssystem (x_p, y_p, z_p) der Passagiere wirkende Querbeschleunigung a_yp,max werden in der Regel von den Betreibern des Fahrzeugs 101 vorgegeben. Anhaltspunkte hierfür liefern auch nationale und internationale Normen (wie beispielsweise die EN 12299).
Querfedercharakteristik der Sekundärfederung, also der Verlauf des Widerstands der Sekundärfederung 103.2 gegen die bei der Kompensationsbewegung auftretende Auslenkung in der Fahrzeugquerrichtung (y-Richtung), stellt einen wichtigen Faktor für das Wankverhalten des Wagenkastens dar. So muss der Aktuator 107 für eine gewünschte Einstellung des Wankwinkels des Wagenkastens um den Momentanpol MP umso höhere Kräfte aufbringen je größer der Widerstand gegen diese Querauslenkung ist.
Bei herkömmlichen Fahrzeugen gibt die Sekundärfederung in der Regel eine Querfedercharakteristik vor, die kaum bzw. nur mit vergleichsweise großem Aufwand an ein gewünschtes Wankverhalten anpassbar ist. Die vorliegende Erfindung ermöglicht jedoch durch die nachfolgend beschriebene Gestaltung der Sekundärfederung 103.2 auf einfache und Platz sparende Weise eine Anpassung der Querfedercharakteristik an einen gewünschten Verlauf und damit letztlich auch an ein gewünschtes Wankverhalten des Wagenkastens 102.
Zu diesem Zweck umfasst die Sekundärfederung 103.2 zwei identisch gestaltete Federeinrichtungen 108, die in Fahrzeuglängsrichtung fluchtend und in Fahrzeugquerrichtung mittig zu beiden Seiten eines (in Figur 1 nicht dargestellten) Drehgelenks (typischerweise einem Drehzapfen) angeordnet sind, welches Ausdrehbewegungen zwischen dem Wagenkasten 102 und dem Drehgestell 104 um die Fahrzeughochachse definiert.
Es versteht sich jedoch, dass bei anderen Varianten der Erfindung (bevorzugt in Fahrzeugquerrichtung und/oder Fahrzeuglängsrichtung mittig) auch lediglich eine einzige Federeinrichtung 108 vorgesehen ist, weiche dann gegebenenfalls auch die Funktion des Drehgelenks integriert, wie nachfolgend noch näher ausgeführt werden wird.
Wie insbesondere der Figur 2 zu entnehmen ist, umfasst jede Federeinrichtung 108 ein erstes Kontaktelement 109 mit einer ersten Kontaktfläche 109.1, ein zweites Kontaktelement 110 mit einer zweiten Kontaktfläche 110.1 und eine Federeinheit 111, die kinematisch in Serie zwischen dem Wagenkasten 102 und der Fahrwerkseinheit 104 angeordnet sind. Die Figur 2 zeigt dabei einen Schnitt durch eine Symmetrieebene der Federeinrichtung 108.
Die Federeinheit 111 sitzt mit einem Ende auf dem Drehgestellrahmen 104.2, während ihr anderes Ende einen im Wesentlichen U-förmigen Träger 112 abstützt. Der Träger 112 sitzt umgedreht auf der Federeinheit 111, sodass sich eine verschachtelte Anordnung ergibt, bei der sich ein Teil der Federeinheit 111 zwischen den beiden Schenkeln 112.1 des Trägers 112 erstreckt und mit seiner Basis 112.2 verbunden ist. An den freien Enden der Schenkel 112.1 ist das erste Kontaktelement 109 über jeweils ein Schwenkgelenk 113 angelenkt. Die gemeinsame Schwenkachse 113.1 der beiden Schwenkgelenke 113 verläuft in der Neutralstellung des Wagenkastens 102 (im geraden ebenen Gleis) im Wesentlichen parallel zur Fahrzeuglängsrichtung (x-Richtung).
Das erste Kontaktelement 109 ist ebenfalls im Wesentlichen U-förmig gestaltet, wobei jeweils ein Schwenkgelenk 113 an dem freien Ende des jeweiligen Schenkels 109.2 des ersten Kontaktelements 109 angreift. Das erste Kontaktelement 109 und der Träger 112 sind ebenfalls verschachtelt angeordnet, wobei das erste Kontaktelement 109 den Träger 108.4 in seinem Inneren (über den im Normalbetrieb vorgesehenen Schwenkbereich) frei um die Schwenkachse 113.1 schwenkbar aufnimmt, sodass sich insgesamt eine besonders kompakte Gestaltung ergibt.
Im Bereich seiner Basis 109.3 weist das erste Kontaktelement 109 (auf der dem Träger 112 abgewandten Seite) die erste Kontaktfläche 109.1 auf, über welche das erste Kontaktelement 109 eine zweite Kontaktfläche 110.1 des zweiten Kontaktelements 110 in wenigstens einem Kontaktpunkt 114.1 einer Kontaktpunktkurve 114 kontaktiert.
Im vorliegenden Beispiel sind sowohl die erste Kontaktfläche 109.1 als auch die zweite Kontaktfläche 110.1 als höchstens einfach gekrümmte Flächen mit parallelen Hauptkrümmungsachsen ausgebildet. Insbesondere die erste Kontaktfläche ist als im Wesentlichen zylindrische Fläche ausgebildet. Demgemäß ergibt sich theoretisch (bei unendlich steifen Kontaktelementen) ein Linienkontakt entlang einer (in Figur 2 senkrecht zur Schnittebene verlaufenen) Kontaktlinie, auf welcher der Kontaktpunkt 114.1 liegt. Es versteht sich jedoch, dass sich in der Realität, je nach Steifigkeit bzw. Deformation der Kontaktelemente, ein gewisser flächiger Kontakt ergibt.
Es versteht sich jedoch, dass bei anderen Varianten der Erfindung zumindest eine der beiden Kontaktflächen als mehrfach gekrümmte Fläche ausgebildet sein kann. Hierdurch kann beispielsweise eine Nickbeweglichkeit in die Sekundärfederung 103.2 eingeführt werden, welche Nickbewegungen (um eine zur Fahrzeugquerrichtung parallele Nickachse) ermöglichen. Allerdings versteht es sich, dass eine solche Nickbeweglichkeit gegebenenfalls auch an anderer Stelle in der Sekundärfederung 103.2 (beispielsweise im Bereich der Lager 113 und/oder der Anbindung des zweiten Kontaktelements 110 am Wagenkasten 102 und/oder der Anbindung der Federeinheit 111 am Drehgestellrahmen 104.2) realisiert sein kann. Ebenso kann die Nickbeweglichkeit auch über eine entsprechende Elastizität wenigstens eines der Kontaktelemente (beispielsweise im Bereich der Kontaktfläche) realisiert sein.
Das zweite Kontaktelement 110 ist an der Unterseite des Wagenkastens 102 befestigt, sodass die kinematische Kette bzw. der Kraftfluss beim Abstützen des Wagenkastens 102 von dem Wagenkasten 102 über das zweite Kontaktelement 110, anschließend das erste Kontaktelement, anschließend den Träger 112 und schließlich die Federeinheit 111 in den Drehgestellrahmen 104.2 verläuft.
Es versteht sich jedoch, dass bei anderen Varianten der Erfindung eine anderweitige Abfolge der Komponenten vorgesehen sein kann. So kann beispielsweise eine umgekehrte Reihenfolge der Komponenten zwischen dem Wagenkasten 102 und dem Drehgestell 104 vorgesehen sein. Ebenso kann bei weiteren Varianten die Federeinheit 111 zwischen dem Wagenkasten 102 und den zweiten Kontaktelement 110 angeordnet sein, wobei dann der Träger 112 beispielsweise auf der Notfeder 111.1 sitzt.
Im vorliegenden Beispiel sind die erste Kontaktfläche 109.1 und die zweite Kontaktfläche 110.1 mit einer (in Figur 2 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellten) Verzahnung 116 versehen, um Schlupf in der Fahrzeugquerrichtung zwischen dem ersten Kontaktelement 109 und dem zweiten Kontaktelement 110 zu vermeiden.
Hierbei kann, wie schematisiert in den Figuren 3 und 4 gezeigt ist, nur ein Teil der beiden Kontaktflächen 109.1 und 110.1 mit einer solchen Verzahnung 116 ausgestattet sein, um den Schlupf in der Fahrzeugquerrichtung zu vermeiden, während andere Teile der beiden Kontaktflächen 109.1 und 110.1, welche primär die Übertragung der Stützkraft in der Fahrzeughöhenrichtung übernehmen, einander ohne eine solche Verzahnung kontaktieren. Hiermit ist in vorteilhafter Weise eine Anpassung dieser Teilbereiche der beiden Kontaktflächen 109.1 und 110.1 an die jeweilige primäre Kraftübertragungsrichtung bzw. Funktion (Vermeidung von Schlupf in Fahrzeugquerrichtung bzw. Stützkraftübertragung in Fahrzeughöhenrichtung) möglich.
Wie den Figuren 3 und 4 zu entnehmen ist, umfasst die Verzahnung eine parallel zu der Schwenkebene des ersten Kontaktelements 109 verlaufende erste Nut 116.1, in welche ein erster Vorsprung 116.2 des zweiten Kontaktelements 109 eingreift. Der erste Vorsprung 116.2 greift mit (axialem) Spiel in Richtung der Schwenkachse 113.1 in die erste Nut 116.1 ein, sodass die erste Kontaktfläche 109.1 und die zweite Kontaktfläche 110.1 insoweit ungehindert aufeinander abrollen können.
In der ersten Nut 116.1 ist (in der Fahrzeugquerrichtung) mittig ein radialer zweiter Vorsprung 116.3 des ersten Kontaktelements 109 ausgebildet. Der zweite Vorsprung 116.3 greift seinerseits in eine (in der Fahrzeugquerrichtung verlaufende) axiale zweite Nut 116.4 in dem ersten Vorsprung 116.2 ein, wobei im vorliegenden Beispiel ein leichtes Spiel (in der Fahrzeugquerrichtung vorliegt, sodass der zweite Vorsprung 116.3 den ersten Vorsprung 116.2 in einem Zustand mit im geraden ebenen Gleis stehenden Fahrzeug 101 idealer Weise zunächst nicht berührt. Demgemäß können die erste Kontaktfläche 109.1 und die zweite Kontaktfläche 110.1 auch insoweit ungehindert aufeinander abrollen.
Ergeben sich im Betrieb des Fahrzeugs 101 Querkräfte (also Kräfte in Fahrzeugquerrichtung), bei denen es zu einem Schlupf in der Fahrzeugquerrichtung zwischen der ersten Kontaktfläche 109.1 und der zweiten Kontaktfläche 110.1 kommt bzw. kommen könnte, gelangt der zweite Vorsprung 116.3 mit der zugeordneten Begrenzungswand der zweiten Nut 116.4 in Eingriff und verhindert durch den so in der Fahrzeugquerrichtung entstehenden Formschluss derartigen Schlupf.
Die Gestaltung des zweiten Vorsprungs 116.3 und der zugeordneten Begrenzungswände der zweiten Nut 116.4 sind derart aufeinander abgestimmt, dass die erste Kontaktfläche 109.1 und die zweite Kontaktfläche 110.1 ungehindert aufeinander abrollen können, wie dies in Figur 3 durch die gestrichelte Kontur 116.5 angedeutet ist.
Im vorliegenden Beispiel ist der zweite Vorsprung 116.3 in der Schwenkebene hierzu mit einer entsprechend gekrümmten Oberflächenkontur versehen, während die Begrenzungswände der zweiten Nut 116.4 als einfache ebene Wände gestaltet sind. Die Schnittkonturen des zweiten Vorsprungs 116.3 und der Begrenzungswände der zweiten Nut 116.4 sind bevorzugt so aufeinander abgestimmt, dass in jeder Schwenkposition der zur Schlupfverhinderung dienende Formschluss in der Fahrzeugquerrichtung erreicht wird, während in der Fahrzeughöhenrichtung bevorzugt kein derartiger Formschluss entsteht, sodass der erste Vorsprung 116.2 und der zweite Vorsprung 116.3 im Wesentlichen nicht an der Übertragung der Stützkraft in der Fahrzeughöhenrichtung beteiligt sind.
Im vorliegenden Beispiel ist die Gestaltung des zweiten Vorsprungs 116.3 und der zugeordneten Begrenzungswände der zweiten Nut 116.4 weiterhin derart, dass der zweite Vorsprung 116.3 über den gesamten im Betrieb des Fahrzeugs zu erwartenden Schwenkbereich des ersten Kontaktelements 109 nie so weit aus der zweiten Nut 116.4 heraustritt, dass die Funktion der Schlupfverhinderung nicht mehr erfüllt werden könnte, mithin also die Funktion der Schlupfverhinderung jederzeit gewährleistet ist.
Es versteht sich jedoch, dass bei anderen Varianten der Erfindung auch mehrere, in Fahrzeugquerrichtung beabstandete Schlupfverhinderungspaarungen aus jeweils einem zweiten Vorsprung 116.3 und einer zugeordneten zweiten Nut 116.4 vorgesehen sein können. Diese Schlupfverhinderungspaarungen sind zumindest so angeordnet, dass zu jedem Zeitpunkt bzw. in jedem Betriebszustand des Fahrzeugs wenigstens eine der Schlupfverhinderungspaarungen die Funktion der Schlupfverhinderung übernimmt. Vorzugsweise liegt eine gewisse Überdeckung vor, in deren Bereich wenigstens zwei Schlupfverhinderungspaarungen wirksam sind bzw. wirksam sein können.
Es versteht sich jedoch zum einen, dass bei anderen Varianten der Erfindung auch eine anderweitige Gestaltung der beiden Kontaktflächen vorgesehen sein kann, bei welcher über einen anderweitigen Formschluss in der Fahrzeugquerrichtung ein derartiger Schlupf verhindert werden kann. Insbesondere können die beiden Kontaktflächen im Wesentlichen vollständig mit einer entsprechenden Verzahnung versehen sein. Zum anderen versteht es sich, dass bei anderen Varianten der Erfindung ein solcher Formschluss in der Fahrzeugquerrichtung zwischen den beiden Kontaktflächen auch fehlen kann, mithin also in der Fahrzeugquerrichtung reiner Reibschluss zwischen den beiden Kontaktflächen gegeben sein kann.
Die Federeinheit 111 umfasst einen hydraulischen Teil und einen mechanischen Teil. Der hydraulische Teil umfasst eine hydropneumatische Feder 115, während der mechanische Teil eine Notfeder 111.1 umfasst. Die Notfeder 111.1 ist im Kraftfluss zwischen dem Wagenkasten 102 und dem Drehgestell 104 kinematisch seriell zur Feder 115 angeordnet und stellt auch bei Ausfall der Feder 115 gewisse Federungseigenschaften im Notbetrieb des Fahrzeugs 101 sicher.
Die Notfeder 111.1 ist im vorliegenden Beispiel in herkömmlicher Weise als Gummischichtfeder ausgebildet. Dies hat besondere Vorteile hinsichtlich der Dämpfung von Körperschall. Es versteht jedoch, dass für die Notfeder grundsätzlich auch beliebige andere Arten von Federn verwendet werden können.
Die hydropneumatische Feder 115 umfasst einen in den Kraftfluss zwischen die Notfeder 111.1 und den Drehgestellrahmen 104.2 geschalteten hydraulischen Kraftvermittlungsteil 115.1 und einen hydraulisch damit gekoppelten hydropneumatischen Federteil 115.2, der die eigentliche Federwirkung der hydropneumatischen Feder 115 zur Verfügung stellt.
Der Kraftvermittlungsteil 115.1 umfasst eine Kolben-Zylinder-Anordnung mit einem Zylinder 115.3, der mit der Basis 112.2 des Trägers 112 verbunden ist. In dem Zylinder 115.3 läuft dichtend ein auf der Notfeder 111.1 abgestützter Kolben 115.4, sodass der Zylinder 115.3 und der Kolben 115.4 einen ersten Arbeitsraum 115.5 definieren. Es versteht sich jedoch, dass bei anderen Varianten der Erfindung auch eine umgekehrte Anordnung vorgesehen sein kann, bei welcher der Kolben mit der Basis des Trägers 112 verbunden ist und der Zylinder auf der Notfeder 111.1 abgestützt ist.
Im vorliegenden Beispiel ist die räumliche Anordnung von Zylinder 115.3 und Kolben 115.4 so gewählt, dass die Kraftvermittlung und damit die Hauptwirkungsrichtung der Federeinheit 108 parallel zu der Fahrzeughöhenrichtung verläuft. Es versteht jedoch, dass bei anderen Varianten der Erfindung auch eine anderweitige Ausrichtung der Hauptwirkungsrichtung der Federeinheit vorgesehen sein kann.
Der Arbeitsraum 115.5 ist mit einem Hydraulikmedium gefüllt und über eine Hydraulikleitung 115.6 mit dem hydropneumatischen Federteil 115.2 verbunden, der im vorliegenden Beispiel am Drehgestellrahmen 104 angeordnet ist. Es versteht sich hierbei jedoch, dass der hydropneumatische Federteil 115.2 dank der einfachen Kopplung über die Hydraulikleitung 115.6 grundsätzlich auch an beliebiger anderer Stelle im Fahrzeug 101 angeordnet werden kann.
Weiterhin versteht es sich, dass in die Hydraulikleitung 115.6 ein gegebenenfalls steuerbares Drosselelement oder dergleichen geschaltet sein kann, um die Dämpfung des hydropneumatischen Federteils 115.2 und damit letztlich der Federeinheit 111 (gegebenenfalls aktiv) einstellen zu können.
Der hydropneumatische Federteil 115.2 umfasst in herkömmlicher Weise einen hydraulischen zweiten Arbeitsraum, in den die Hydraulikleitung 115.6 mündet. Der zweite Arbeitsraum steht über wenigstens ein abgedichtetes bewegliches Kraftvermittlungselement mit einem pneumatischen dritten Arbeitsraum in Wirkverbindung, der ein abgeschlossenes als Gasfeder wirkendes Gasvolumen aufnimmt. Die Kompressibilität des Gases stellt im vorliegenden Beispiel somit die eigentliche Federwirkung zur Verfügung. Es versteht sich jedoch, dass (einzeln oder in beliebiger Kombination) zusätzlich oder alternativ zur Gasfeder auch beliebige andere Federn zum Einsatz kommen können, insbesondere können rein mechanische Federn, aktive oder passive elektromechanische Federn, magnetische Federn oder dergleichen zum Einsatz kommen.
Die Figur 5 zeigt eine schematische Darstellung des sich in der Schnittebene der Figur 2 ergebenden Verlaufs der Kontaktflächen 109.1 und 110.1. Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass die Kontaktflächen 109.1 und 110.1 in Figur 5 aus Gründen der Übersichtlichkeit mit einer stärkeren Krümmung als in der Realität dargestellt sind.
Wie der Figur 5 zu entnehmen ist, weist die erste Kontaktfläche 109.1 eine zylindrische Gestalt auf, während die zweite Kontaktfläche 110.1 eine (in der Fahrzeuglängsrichtung prismatische) Gestalt mit abschnittsweise wechselnder Krümmung in der gezeigten Schnittebene aufweist. So weist die zweite Kontaktfläche 110.1 in einem an die Mittenebene des Wagenkastens (y = 0) angrenzenden Quermittenbereich 117.1 eine konkave Gestaltung auf. An einem Wendepunkt 117.2 erfolgt ein Übergang in eine konvexe Gestaltung, welche dann in einem äußeren Bereich 117.3 vorherrscht.
Führt der Wagenkasten 102 (beispielsweise bei Bogenfahrt) die durch die Wankstützeinrichtung 105 vorgegebene Kompensationsbewegung um den Momentanpol MP aus, so wird der Wagenkasten 102 unter anderem in der Fahrzeugquerrichtung (y-Richtung) bezüglich des Drehgestells 104 ausgelenkt.
Hierbei kommt es zu einer Verschiebung der zweiten Kontaktfläche 110.1 bezüglich der ersten Kontaktfläche 109.1 in der Fahrzeugquerrichtung. Wegen der Verzahnung der beiden Kontaktflächen 109.1, 110.1 kommt es hierbei zu einer Schwenkbewegung des ersten Kontaktelements 109 um die Schwenkachse 113.1.
Die Gestaltung der beiden Kontaktflächen 109.1, 110.1 bedingt dabei, dass der Schwerpunkt SP des Wagenkastens 102 über das zweite Kontaktelement 110 um einen Betrag dz verschoben wird, genauer gesagt nach oben angehoben wird (mithin also der Kontaktpunkt 114.1 auf der Kontaktpunktkurve 114 wandert).
Bei dieser Bewegung wandert zudem der Kontaktpunkt 114.1 zwischen den beiden Kontaktflächen 109.1, 110.1 in Fahrzeugquerrichtung aus, sodass sich die in Figur 5 dargestellte Zerlegung der Kontaktkraft K zwischen den beiden Kontaktelementen 109 und 110 in eine vertikale Stützkraft S und einen Querauslenkungswiderstand Wy (also einen Widerstand gegen die Querauslenkung des Wagenkastens 102) ergibt.
Über die Kontaktelemente 109, 110 ist somit eine Kopplungseinrichtung in der kinematischen Kette zwischen dem Wagenkasten 102, der Federeinrichtung 108 und dem Drehgestell 104 realisiert, welche eine Querbewegung des Wagenkastens 102 relativ zum Drehgestell 104 in eine Auslenkung des Wagenkastens 102 in der Fahrzeughöhenrichtung umsetzt.
Die Figur 5 zeigt weiterhin eine schematische Darstellung des sich in der Schnittebene der Figur 2 ergebenden Verlaufs der Auslenkung des Schwerpunkts SP des Wagenkastens 102 in der Fahrzeughöhenrichtung, d. h. der Funktion dz (y), in Abhängigkeit von der Querauslenkung y (ausgehend von der Neutralstellung mit dz = 0, y = 0). Dieser entspricht im Wesentlichen dem Verlauf der Kontaktpunktkurve 114 in der Fahrzeughöhenrichtung. Schließlich zeigt die Figur 5 den Verlauf des Querauslenkungswiderstands Wy der Federeinrichtung 108 in Abhängigkeit von der Querauslenkung y.
Wie der Figur 5 zu entnehmen ist, ergibt sich bis zu einem Punkt mit einer maximalen Auslenkung dz1 des Wagenkastens 102 (wie durch die gestrichelte Kontur 118 angedeutet ist) in dem Querauslenkungsmittenbereich 117.1 ein zunächst progressiver, dann linearer und schließlich degressiver Anstieg des Querauslenkungswiderstands Wy.
Bei einer weiteren Querauslenkung des Wagenkastens 102 (wie in Figur 5 durch die strichzweipunktierte Kontur 120 angedeutet ist) nimmt hierbei die Auslenkung dz des Wagenkastens 102 weiter leicht zu, sodass sich ein abschnittsweise degressiver, dann nahezu linearer aber lediglich leichter Anstieg des Querauslenkungswiderstands Wy ergibt.
Durch einen solchen stetigen Anstieg des Querauslenkungswiderstands Wy mit der Querauslenkung kann eine Selbstzentrierung des Wagenkastens 102 bei Ausfall der Querauslenkungsaktuatorik realisiert werden.
Hierbei versteht es sich, dass der Querauslenkungswiderstand Wy von der Auslenkung dz des Wagenkastens 102 sowie der Neigung der Kontaktkraft K zur Fahrzeughöhenrichtung abhängt. Je größer diese jeweils ausfällt, desto größer ist der Querauslenkungswiderstand Wy. Mithin ist es also über die Gestaltung der beiden Kontaktflächen 109.1 und 110.1 in einfacher Weise möglich, den Querauslenkungswiderstand Wy und damit die Querfedercharakteristik der Federeinrichtung 108 nahezu beliebig einzustellen.
Mit anderen Worten kann über die Gestaltung der beiden Kontaktflächen 109.1, 110.1 (und damit die Gestaltung der Kontaktpunktkurve 114) grundsätzlich ein beliebiger Verlauf der Querfederungscharakteristik der Federeinrichtung 108 realisiert werden, der an den speziellen Anwendungsfall, beispielsweise den Fahrzeugtyp und/oder die Nennbetriebsgeschwindigkeit des Fahrzeugs 101 angepasst ist.
Die Anpassung der Querfedercharakteristik an einen gewünschten Verlauf kann bei einer (beliebig) vorgegebenen Federcharakteristik der Federeinrichtung 108 in der Fahrzeughöhenrichtung bzw. einer (beliebig) vorgegebenen Federcharakteristik der Federeinheit 111 in ihrer Hauptwirkungsrichtung einfach über die durch den Verlauf der Kontaktpunktkurve definierte Bewegungsübersetzung zwischen der Querbewegung des Wagenkastens 102 und der Auslenkung des Wagenkastens 102 in der Fahrzeughöhenrichtung erfolgen. Mit anderen Worten ist es über die Anpassung der Kontaktpunktkurve 114 in einfacher Weise möglich, die Querfedercharakteristik einzustellen, ohne Abstriche bei der Optimierung der Federcharakteristik der Federeinrichtung 108 in der Fahrzeughöhenrichtung bzw. der Optimierung der Federcharakteristik der Federeinheit 111 in ihrer Hauptwirkungsrichtung hinnehmen zu müssen.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel eines Fahrzeugs 101 für den Hochgeschwindigkeitsverkehr ist die Kontaktpunktkurve 114 zum einen in dem an die Neutralstellung angrenzenden Querauslenkungsmittenbereich 117.1 so ausgebildet, dass sich eine progressive Charakteristik des Querauslenkungswiderstands Wy ergibt. Diese ist so gewählt, dass die Federeinheit 108 allein durch die auf den Wagenkasten 102 wirkende Gewichtskraft einen Querauslenkungswiderstand Wy und damit eine in der Fahrzeugquerrichtung wirkende Rückstellkraft auf den Wagenkasten 102 ausübt. Die Rückstellkraft auf den Wagenkasten 102 ist so groß bemessen, dass sie auch noch bei einer im Betrieb des Fahrzeug maximal zu erwartenden Gleisüberhöhung ausreicht, um den Wagenkasten zumindest in die Nähe der Neutralstellung, vorzugsweise im Wesentlichen in die Neutralstellung, zurückzustellen.
Die hiermit erzielte Selbstzentrierungswirkung der Sekundärfederung 103.2 ist insoweit von Vorteil, als hiermit auch bei Ausfall des Aktuators 107 für den Fall, dass das Fahrzeug an einem Punkt der befahrenen Strecke mit einer solchen maximalen Gleisüberhöhung zum Stehen kommt, sichergestellt ist, dass das Begrenzungsprofil der Strecke nicht verletzt wird.
Durch den bei der weiteren Querauslenkung außerhalb des Querauslenkungsmittenbereichs 117.1 erzielten nur noch leichten Anstieg des Querauslenkungswiderstands Wy, also die zumindest zunächst degressive Charakteristik des Querauslenkungswiderstands Wy, wird erreicht, dass der Aktuator 107 immer weniger zusätzliche Kraft aufbringen muss, um einen gewünschten Wankwinkel des Wagenkastens 102 einzustellen. Der verwendete Aktuator 107 kann dann kleiner und leichter ausgelegt sein. Dies ist gerade für solche Fälle von Vorteil, bei denen der Momentanpol MP nahe an dem Schwerpunkt SP liegt, sodass die Zentrifugalkraft keinen nennenswerten Beitrag zur Einstellung des Wankwinkels liefern kann.
Solche Konfigurationen mit niedrig und damit nahe an dem Schwerpunkt SP liegenden Momentanpol MP können besonders dann gewünscht sein, wenn vergleichsweise große Wankwinkel (beispielsweise von bis zu 8° bis 10°) eingestellt werden sollen, ohne das Begrenzungsprofil der Strecke durch große Querauslenkungen zu verletzen.
Die Federeinheit 111 kann grundsätzlich als einfache passive Einheit ausgebildet sein. Bei besonders vorteilhaften Varianten der Erfindung mit hohem Funktionsintegrationsgrad ist die Federeinheit 111 insoweit aktiv ausgebildet, als eine Steuereinrichtung 122 vorgesehen ist, welche, gegebenenfalls in Abhängigkeit von den Signalen einer entsprechenden Sensorik 123 oder einer übergeordneten Fahrzeugsteuerung, die oben bereits erwähnte Drosseleinrichtung (zur Einstellung der Dämpfung) und/oder eine Versorgungseinrichtung 124 ansteuert, die ihrerseits den hydropneumatischen Federteil 115.2 versorgt.
Dabei kann die Versorgungseinrichtung 124 zum einen so gestaltet sein, dass sie den Druck in der Gasfeder und damit deren Charakteristik modifiziert. Dies kann beispielsweise über eine unmittelbare Einstellung des Drucks in der Gasfeder erfolgen. Zusätzlich oder alternativ kann die Versorgungseinrichtung 124 die Befüllung des hydraulischen Teils des hydropneumatischen Federteils 115.2 mit dem Hydraulikmedium variieren. Hierdurch ist es unter anderem möglich, den Wagenkasten 102 anzuheben bzw. abzusenken oder diesen beladungsunabhängig auf einem bestimmten Niveau zu halten.
Es versteht sich, dass bei bestimmten Varianten der Erfindung in die hydropneumatische Feder 115 entsprechende, mit der Steuereinrichtung 123 verbundene Sensoren für eine Höhenmessung und/oder Druckmessung oder dergleichen integriert sind. Hierdurch ist zum einen eine unmittelbare Selbstdiagnose des Systems (insbesondere hinsichtlich der Dichtigkeit, der internen Reibung, der Leistung und Funktion etc.) möglich. Ebenso kann hiermit natürlich eine Ermittlung der Beladung des Fahrzeugs 101 und gegebenenfalls die oben beschriebene Niveauregulierung erfolgen.
Dank der um die Fahrzeughochachse drehbaren Verbindung zwischen dem Zylinder 115.3 und den Kolben 115.4 ist der Kraftvermittlungsteil 115.1 und damit die Federeinrichtung 108 in der Lage, Ausdrehbewegungen zwischen dem Wagenkasten 102 und dem Drehgestell 104 (um eine in der Fahrzeughöhenrichtung verlaufende Drehachse) aufzunehmen bzw. auszugleichen.
Je nachdem, wie weit die Federeinrichtung 108 von der Drehachse der Ausdrehbewegung entfernt ist, muss hierbei weiterhin eine gleitende Bewegung zwischen dem ersten Kontaktelement 109 und dem zweiten Kontaktelement 110 entlang der Zähne der Verzahnung erfolgen. Alternativ könnte beispielsweise das zweite Kontaktelement 110 in Längsrichtung des Wagenkastens entsprechend verschieblich gelagert sein. Auch dies ist problemlos möglich. Zusätzlich oder alternativ kann dieser Ausgleich in Längsrichtung des Wagenkastens aber gegebenenfalls auch über eine elastische Schubverformung wenigstens eines der Kontaktelemente 109, 110 erfolgen.
Ist jedoch, wie oben beschrieben, nur eine einzige Federeinrichtung 108 vorgesehen, deren Zylinder 115.3 und Kolben 115.4 die Drehachse der Ausdrehbewegung definieren, erübrigt sich eine solche gleitende Bewegung entlang der Verzahnung. In diesem Fall können am Wagenkasten 102 befestigte Längsanschläge 125 das erste Kontaktelement 109 in Fahrzeuglängsrichtung zu beiden Seiten unmittelbar über Gleitelemente 126 kontaktieren und so die Längsmitnahme des Wagenkastens 102 realisieren. Der Grad der Funktionsintegration kann hierdurch noch weiter erhöht werden. Gleiches gilt allerdings für Varianten mit zwei beabstandeten Federeinrichtungen 108, bei denen der Ausgleich in Längsrichtung des Wagenkastens über eine elastische Schubverformung wenigstens eines der Kontaktelemente 109, 110 erfolgt.
Aufgrund der oben beschriebenen Gestaltung der Federeinrichtung 108 ergibt sich bei einer solchen Ausdrehbewegung und der damit im Bereich der Federeinrichtung 108 einhergehenden Querauslenkung des Wagenkastens 102 bezüglich des Drehgestells 104 wiederum ein Widerstand Wy gegen die Querauslenkung und damit die Ausdrehbewegung.
Es versteht sich, dass die beiden Kontaktelemente 109, 110 für Varianten mit zwei beabstandeten Federeinrichtungen 108 gegebenenfalls so gestaltet sein können, dass einer solchen Ausdrehbewegung zwischen dem Wagenkasten 102 und dem Drehgestell 104 ein Ausdrehwiderstand mit einem beliebigen gewünschten Verlauf (über den Ausdrehwinkel) entgegengesetzt wird. Hiermit ist es in vorteilhafter Weise möglich, die Funktion von herkömmlichen Schlingerdämpfern, Ausdrehendanschlägen oder dergleichen ebenfalls in der Federeinrichtung 108 zu integrieren.
Auch die Materialwahl für die beiden Kontaktelemente 109, 110 kann im Bereich der Kontaktflächen 109.1, 110.1 an den jeweiligen Anwendungsfall angepasst sein. Im vorliegenden Beispiel sind die erste Kontaktfläche 109.1 und die zweite Kontaktfläche 110.1 aus einem Kunststoff hergestellt. Hierbei handelt es sich vorzugsweise um ein Elastomer, wie beispielsweise Polyurethan. Hiermit wird eine im Hinblick auf den Verschleiß und die Dämpfung von Körperschall in der Federeinrichtung 108 besonders günstige Gestaltung erzielt.
Im vorliegenden Beispiel ist eine separate Notfeder 111.1 vorgesehen, auf welcher der Kraftvermittlungsteil 115.1 der Federeinheit 111 sitzt. Es versteht sich jedoch, dass eine solche Notfeder bei anderen Varianten der Erfindung auch an anderer Stelle angeordnet sein kann. So kann die Notfeder beispielsweise zwischen dem zweiten Kontaktelement 110 und dem Wagenkasten 102 angeordnet sein. Ebenso ist es aber auch möglich, die Notfeder in der Federeinheit 111 zu integrieren. Beispielsweise kann ein entsprechend elastischer Teil des Trägers 112 und/oder der Lager 113 und/oder des ersten Kontaktelements 109 zumindest ein Teil einer solchen Notfeder ausbilden.

Zweites und drittes Ausführungsbeispiel

Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die Figuren 6 und 7 eine weitere vorteilhafte Ausführung des erfindungsgemäßen Fahrzeugs 201 beschrieben. Das Fahrzeug 201 entspricht in seiner grundsätzlichen Gestaltung und Funktionsweise dem Fahrzeug 101 aus Figur 1 bis 5, sodass hier lediglich auf die Unterschiede eingegangen werden soll. Insbesondere sind identische Komponenten mit den identischen Bezugszeichen versehen, während gleichartige Komponenten mit um den Wert 100 erhöhten Bezugszeichen versehen sind. Sofern nachfolgend nichts Anderweitiges ausgeführt wird, wird hinsichtlich der Merkmale, Funktionen und Vorteile dieser Komponenten auf die obigen Ausführungen im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel verwiesen.
Der wesentliche Unterschied zur Ausführung aus Figur 1 bis 5 besteht darin, dass es sich bei dem Fahrzeug 201 um ein Regionalfahrzeug oder U-Bahnfahrzeug handelt, welches eine Nennbetriebsgeschwindigkeit im unteren bzw. mittleren Geschwindigkeitsbereich zwischen 60 km/h und 160 km/h handelt. Dies schlägt sich in der Gestaltung der Wankstütze 206 und der Gestaltung des zweiten Kontaktelements 210 nieder.
So sind die Lenker 206.5 und 206.6 der Wankstütze 206 im vorliegenden Beispiel im Wesentlichen parallel zur Fahrzeughöhenrichtung oder bestenfalls nur leicht zu dieser geneigt ausgerichtet, sodass der Momentanpol MP im Unendlichen bzw. weit oberhalb des Wagenkastens liegt.
Wie der Figur 7 zu entnehmen ist, ist bei dieser Gestaltung eine Querfedercharakteristik realisiert, wie sie typischerweise mittels so genannter Querpuffer erreicht wird. Die Figur 7 zeigt hierbei ähnlich wie Figur 5 eine schematische Darstellung des sich in der Schnittebene der Figur 6 ergebenden Verlaufs der Kontaktflächen 209.1 und 210.1. Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass die Kontaktflächen 209.1 und 210.1 in Figur 7 wiederum aus Gründen der Übersichtlichkeit mit einer stärkeren Krümmung als in der Realität dargestellt sind.
Wie der Figur 7 weiterhin zu entnehmen ist, weist die erste Kontaktfläche 209.1 eine zylindrische Gestalt auf, während die zweite Kontaktfläche 210.1 eine (in der Fahrzeuglängsrichtung prismatische) Gestalt mit abschnittsweise wechselnder Krümmung in der gezeigten Schnittebene aufweist. So weist die zweite Kontaktfläche 210.1 in einem an die Mittenebene des Wagenkastens (y = 0) angrenzenden Quermittenbereich 217.1 eine geradlinige oder nur leicht konkave Gestaltung auf. An einem Punkt 217.2 erfolgt ein Übergang in eine konkave Gestaltung, welche dann in einem äußeren Bereich 217.3 vorherrscht.
Wie der Figur 7 zu entnehmen ist, ergibt sich entlang der Kontaktpunktkurve 214 in dem Querauslenkungsmittenbereich 217.1 kein bzw. nur ein leicht ansteigender Querauslenkungswiderstand Wy. Bei einer weiteren Querauslenkung des Wagenkastens 202 nimmt die Auslenkung dz des Wagenkastens 102 kontinuierlich zu, wobei sich ein abschnittsweise progressiver, dann linearer oder weiterhin progressiver Anstieg des Querauslenkungswiderstands Wy ergibt, wie er auch bei einem herkömmlichen Querpuffer erzielt würde.
Wie in der Figur 6 durch die strich-zweipunktierten Konturen 227 angedeutet ist, kann bei anderen Varianten der Erfindung vorgesehen sein, dass die beiden Federeinrichtungen in der Fahrzeugquerrichtung, insbesondere im Wesentlichen äquidistant, zu beiden Seiten eines Drehpunktes des Wagenkastens 102 bezüglich des Fahrwerks 104 um die Fahrzeughöhenrichtung, insbesondere zu beiden Seiten eines (nicht dargestellten) Drehzapfens, angeordnet sind. Hierdurch können die beiden Federeinrichtungen 227 ein Wankmoment um eine in Fahrzeuglängsrichtung verlaufende Wankachse aufnehmen.
In einem solchen Fall ist es insbesondere möglich, auf eine Wankstütze 206 zu verzichten. Zudem ist eine aktive Regelung der Wankbewegungen über die Federeinrichtungen 227 möglich.
Im Fall von zwei zu unterschiedlichen Seiten eines Drehpunktes des Wagenkastens 102 angeordneten Federeinrichtungen sind die Federeinrichtungen dann bevorzugt nicht unmittelbar an der Unterseite des Wagenkastens 102 abgestützt, sondern an einer Traverse 228, auf welcher sich über Gleitelemente 229 der Wagenkasten 102 abstützt. Hierdurch kann in einfacher Weise sichergestellt werden, dass eine Ausdrehbewegung zwischen Wagenkasten 102 und Fahrwerk 104 einfach über eine Gleitbewegung im Bereich der Gleitelemente 229 aufgenommen werden kann, sodass die Federeinrichtungen hierzu keinen nennenswerten Beitrag liefern müssen und sich ihre Gestaltung insoweit vereinfacht.
Weiterhin versteht es sich, dass bei anderen Varianten der Erfindung auch eine Anordnung von mehr als zwei Federeinrichtungen, insbesondere drei Federeinrichtungen, vorgesehen sein kann, welche insbesondere (beispielsweise durch eine nicht auf einer Linie liegende Anordnung der Federeinrichtungen) sowohl Nickmomente als auch Wankmomente aufnehmen kann.
Die Figur 8 zeigt schließlich ähnlich wie Figur 5 und 7 für ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Fahrzeugs 301 eine schematische Darstellung des sich in einer Schnittebene ähnlich der Figur 2 ergebenden Verlaufs der Kontaktflächen 109.1 und 310.1. Das Fahrzeug 301 entspricht in seiner grundsätzlichen Gestaltung und Funktionsweise dem Fahrzeug 101 aus Figur 1 bis 5, sodass hier lediglich auf die Unterschiede eingegangen werden soll. Insbesondere sind identische Komponenten mit den identischen Bezugszeichen versehen, während gleichartige Komponenten mit um den Wert 200 erhöhten Bezugszeichen versehen sind. Sofern nachfolgend nichts Anderweitiges ausgeführt wird, wird hinsichtlich der Merkmale, Funktionen und Vorteile dieser Komponenten auf die obigen Ausführungen im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel verwiesen.
Das Fahrzeug 301 unterscheidet sich von dem Fahrzeug 101 lediglich in der Gestaltung der zweiten Kontaktfläche 310.1. Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass die Kontaktflächen 309.1 und 310.1 in Figur 8 wiederum aus Gründen der Übersichtlichkeit mit einer stärkeren Krümmung als in der Realität dargestellt sind.
Wie der Figur 8 zu entnehmen ist, weist die zweite Kontaktfläche 310.1 eine (in der Fahrzeuglängsrichtung prismatische) Gestalt mit abschnittsweise wechselnder Krümmung in der gezeigten Schnittebene auf. So weist die zweite Kontaktfläche 310.1 in einem an die Mittenebene des Wagenkastens (y = 0) angrenzenden Quermittenbereich 317.1 eine konkave Gestaltung auf. An einem Wendepunkt 317.2 erfolgt ein Übergang in eine konvexe Gestaltung, welche dann in einem äußeren Bereich 317.3 wieder in eine konkave Gestaltung übergeht.
Wie der Figur 8 weiterhin zu entnehmen ist, ergibt sich entlang der Kontaktpunktkurve 314 in dem Querauslenkungsmittenbereich 317.1 ein zunächst progressiver, dann linearer und schließlich degressiver Anstieg des Querauslenkungswiderstands Wy.
Bei einer weiteren Querauslenkung des Wagenkastens 102 bleibt die Auslenkung dz des Wagenkastens 102 konstant, sodass sich ein abschnittsweise konstanter Querauslenkungswiderstand Wy ergibt.
Bei einer weiteren Querauslenkung des Wagenkastens 102 nimmt die Auslenkung dz des Wagenkastens 102 wieder zu, wobei sich wiederum ein zunächst progressiver, dann linearer oder weiterhin progressiver Anstieg des Querauslenkungswiderstands Wy ergibt.
Hiermit kann die im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel beschriebene Querfedercharakteristik mit der Selbstzentrierung im Quermittenbereich um eine äußere Bewegungsbegrenzung ergänzt werden, wie sie bei herkömmlichen Fahrzeugen typischerweise von seitlichen Anschlägen oder Puffern zur Verfügung gestellt wird. Solche zusätzlichen Anschläge oder Puffern können dann vollständig fehlen, wodurch sich die Gestaltung des Fahrzeugs weiter vereinfacht.
Bei anderen Gestaltungen kann aber auch vorgesehen sein, dass sich entlang der Kontaktpunktkurve bis zu einem Punkt mit einer maximalen Auslenkung dz1 des ersten Kontaktelements in dem Querauslenkungsmittenbereich ein zunächst progressiver, dann linearer und schließlich degressiver Anstieg des Querauslenkungswiderstands Wy ergibt. Bei einer weiteren Querauslenkung des Wagenkastens nimmt die Auslenkung dz des Wagenkastens bis zu einem weiteren Punkt mit einem Wert dz2 wieder ab, wobei sich ein abschnittsweise progressiver, dann linearer und schließlich degressiver Abfall des Querauslenkungswiderstands Wy ergibt, wie dies in Figur 8 durch die strichzweipunktierte Kontur 319 angedeutet ist. Mit anderen Worten ist es also gegebenenfalls sogar möglich, abschnittsweise einen Abfall des Querauslenkungswiderstands Wy zu erzielen.
Die vorliegende Erfindung wurde vorstehend ausschließlich anhand von Beispielen beschrieben, bei denen eine hydropneumatische Federeinrichtung zum Einsatz kommt. Es versteht sich jedoch, dass bei anderen Varianten der Erfindung auch eine beliebige andere Federeinrichtung zum Einsatz kommen kann. Insbesondere können rein aktive Systeme zum Einsatz kommen, bei denen die Federwirkung über ein oder mehrere aktive Federeinrichtungen, beispielsweise elektromechanische, elektromagnetische oder elektrohydraulische Elemente mit entsprechend hoher Regelbandbreite, zur Verfügung gestellt wird.
Weiterhin wurde die vorliegende Erfindung vorstehend ausschließlich anhand von Beispielen beschrieben, bei denen die hydropneumatischen Federeinrichtungen voneinander isoliert zum Einsatz kommen. Es versteht sich jedoch, dass bei anderen Varianten der Erfindung auch eine gegebenenfalls aktiv steuerbare Kopplung zwischen den Federeinrichtungen vorgesehen sein kann, um beispielsweise Wank- und/oder Nicksteifigkeiten zu vermeiden bzw. an bestimmte Vorgaben oder Fahrsituationen anzupassen.
Die vorliegende Erfindung wurde vorstehend ausschließlich anhand von Beispielen für Schienenfahrzeuge beschrieben. Es versteht sich weiterhin, dass die Erfindung auch in Verbindung mit beliebigen anderen Fahrzeugen zum Einsatz kommen kann.

Claims

Fahrzeug, insbesondere Schienenfahrzeug, mit
- einem Wagenkasten (102) und

- einer Fahrwerkseinheit (104), wobei

- der Wagenkasten (102) über wenigstens eine Federeinrichtung (108) in einer Fahrzeughöhenrichtung auf der Fahrwerkseinheit (104) abgestützt ist,

- die Federeinrichtung (108; 208) ein erstes Kontaktelement (109), ein zweites Kontaktelement (110; 210; 310) und wenigstens eine Federeinheit (111) umfasst, wobei

- das erste Kontaktelement (109), das zweite Kontaktelement (110; 210; 310) und die wenigstens eine Federeinheit (111) kinematisch in Serie zwischen dem Wagenkasten (102) und der Fahrwerkseinheit (104) angeordnet sind und

- das erste Kontaktelement (109) derart angeordnet ist, insbesondere um eine Schwenkachse (113.1) schwenkbar gelagert ist, und dem zweiten Kontaktelement (110; 210; 310) derart zugeordnet ist, dass das erste Kontaktelement (109) bei einer Auslenkung des Wagenkastens (102) in einer Fahrzeugquerrichtung, insbesondere unter einer Schwenkbewegung um die Schwenkachse (113.1), das zweite Kontaktelement (110; 210; 310) an unterschiedlichen Kontaktpunkten (114.1; 214.1; 314.1) wenigstens einer Kontaktpunktkurve (114; 214; 314) kontaktiert,
dadurch gekennzeichnet, dass
- die wenigstens eine Kontaktpunktkurve (114; 214; 314) bei einer Querauslenkung des Wagenkastens (102) zu der Fahrwerkseinheit (104) in einer Fahrzeugquerrichtung eine Querfederungscharakteristik der Federeinrichtung (108; 208) in der Fahrzeugquerrichtung definiert.
Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
- bei einer Querauslenkung des Wagenkastens (102) zu der Fahrwerkseinheit (104) in einer Fahrzeugquerrichtung ausgehend von einer Neutralstellung das erste Kontaktelement (109) bewegt wird, insbesondere um die Schwenkachse (113.1) verschwenkt wird,
wobei

- die wenigstens eine Kontaktpunktkurve (114; 214; 314) derart ausgebildet ist, dass die Federeinrichtung (108; 208) zumindest in einem an die Neutralstellung angrenzenden Querauslenkungsmittenbereich (117.1; 317.1) und/oder zumindest in einem von der Neutralstellung beabstandeten äußeren Querauslenkungsbereich (217.3; 317.3) einer fortschreitenden Querauslenkung einen Widerstand gegen die Querauslenkung mit zumindest abschnittsweise progressiver Charakteristik entgegensetzt,
und/oder

- die wenigstens eine Kontaktpunktkurve (114; 214; 314) derart ausgebildet ist, dass die Federeinheit (111) zumindest in einem an die Neutralstellung angrenzenden Querauslenkungsmittenbereich (117.1; 317.1) eine in der Fahrzeugquerrichtung wirkende Rückstellkraft auf den Wagenkasten (102) ausübt, welche durch die auf den Wagenkasten (102) wirkende Gewichtskraft bedingt ist und welche bis zu einer im Betrieb des Fahrzeug maximal zu erwartenden Gleisüberhöhung ausreicht, um den Wagenkasten (102) zumindest in die Nähe der Neutralstellung, vorzugsweise im Wesentlichen in die Neutralstellung, zurückzustellen,
und/oder

- die wenigstens eine Kontaktpunktkurve (114; 214; 314) derart ausgebildet ist, dass die Federeinrichtung (108; 208) zumindest in einem von der Neutralstellung beabstandeten äußeren Querauslenkungsbereich (117.3) einer fortschreitenden Querauslenkung einen Widerstand gegen die Querauslenkung mit zumindest abschnittsweise degressiver Charakteristik entgegensetzt,
und/oder

- die wenigstens eine Kontaktpunktkurve (114; 214; 314) derart ausgebildet ist, dass die Federeinrichtung (108; 208) einer fortschreitenden Querauslenkung zumindest abschnittsweise einen im Wesentlichen konstanten Widerstand entgegensetzt,
und/oder

- die wenigstens eine Kontaktpunktkurve (114; 214; 314) derart ausgebildet ist, dass die Federeinrichtung (108; 208) einer fortschreitenden Querauslenkung zumindest abschnittsweise einen im Wesentlichen linear verlaufenden Widerstand entgegensetzt.
Fahrzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass
- die wenigstens eine Federeinheit (111) in einer kinematischen Kette seriell zwischen das erste Kontaktelement (109) und den Wagenkasten (102) oder zwischen das erste Kontaktelement (109) und die Fahrwerkseinheit (104) geschaltet ist, wobei das erste Kontaktelement (109) entlang einer Hauptwirkungsrichtung der Federeinheit (111), insbesondere in der Fahrzeughöhenrichtung, verschieblich gelagert ist,
und/oder

- die wenigstens eine Federeinheit (111) in einer kinematischen Kette seriell zwischen das zweite Kontaktelement (110; 210; 310) und den Wagenkasten (102) oder zwischen das zweite Kontaktelement (110; 210; 310) und die Fahrwerkseinheit (104) geschaltet ist, wobei das zweite Kontaktelement (110; 210; 310) entlang einer Hauptwirkungsrichtung der Federeinheit (111), insbesondere in der Fahrzeughöhenrichtung, verschieblich gelagert ist.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass
- der Wagenkasten (102) über wenigstens eine weitere Federeinrichtung (108; 208) in der Fahrzeughöhenrichtung auf der Fahrwerkseinheit (104) abgestützt ist, die insbesondere im Wesentlichen identisch zu der Federeinrichtung (108; 208) ausgebildet ist, wobei

- die beiden Federeinrichtungen (108; 208) in einer Fahrzeuglängsrichtung um einen Längsabstand zueinander versetzt angeordnet sind und/oder, insbesondere im Wesentlichen äquidistant, zu beiden Seiten eines Drehpunktes des Wagenkastens (102) bezüglich der Fahrwerkseinheit (104) um die Fahrzeughöhenrichtung, insbesondere eines Drehzapfens, angeordnet sind und/oder miteinander, insbesondere gegenläufig, gekoppelt sind und/oder eine voneinander abweichende Querfederungscharakteristik aufweisen.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass
- der Wagenkasten (102) über wenigstens eine weitere Federeinrichtung (108; 208) in der Fahrzeughöhenrichtung auf der Fahrwerkseinheit (104) abgestützt ist, die insbesondere im Wesentlichen identisch zu der Federeinrichtung (108; 208) ausgebildet ist, wobei

- die beiden Federeinrichtungen (108; 208) in einer Fahrzeugquerrichtung um einen Querabstand zueinander versetzt angeordnet sind und/oder, insbesondere im Wesentlichen äquidistant, zu beiden Seiten eines Drehpunktes des Wagenkastens (102) bezüglich der Fahrwerkseinheit (104) um die Fahrzeughöhenrichtung, insbesondere eines Drehzapfens, angeordnet sind und/oder miteinander, insbesondere gegenläufig, gekoppelt sind.
Fahrzeug nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Federeinheiten (111) der beiden Federeinrichtungen (108; 208) als aktive, durch eine Steuereinrichtung (122) angesteuerte Federeinheiten (111) ausgebildet sind, wobei die Steuereinrichtung (122) insbesondere dazu ausgebildet ist, die Federeinheiten (111) zur aktiven Wankstabilisation des Wagenkastens (102) anzusteuern
und/oder

- die beiden Federeinrichtungen (108; 208) jeweils eine hydraulische Federeinheit (111) umfassen.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass
- das erste Kontaktelement (109) zum zumindest teilweisen Ausgleich von Ausdrehbewegungen zwischen dem Wagenkasten (102) und der Fahrwerkseinheit (104) um die Fahrzeughöhenrichtung schwenkbar gelagert ist und/oder

- das zweite Kontaktelement (110; 210; 310) zum zumindest teilweisen Ausgleich von Ausdrehbewegungen zwischen dem Wagenkasten (102) und der Fahrwerkseinheit (104) um die Fahrzeughöhenrichtung schwenkbar gelagert ist.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass
- das erste Kontaktelement (109) eine erste Kontaktfläche (109.1) aufweist und das zweite Kontaktelement (110; 210; 310) eine zweite Kontaktfläche (110.1; 210.1; 310.1) aufweist, welche die erste Kontaktfläche (109.1) in dem wenigstens einen Kontaktpunkt kontaktiert,
wobei

- die erste Kontaktfläche (109.1) und die zweite Kontaktfläche (110.1; 210.1; 310.1) derart ausgebildet und miteinander in Eingriff sind, dass eine Änderung des wenigstens einen Kontaktpunkts bei einer Schwenkbewegung des ersten Kontaktelements (109) im Wesentlichen ohne Schlupf zwischen dem ersten Kontaktelement (109) und dem zweiten Kontaktelement (110; 210; 310) in einer Fahrzeugquerrichtung erfolgt,
und/oder

- die erste Kontaktfläche (109.1) und die zweite Kontaktfläche (110.1; 210.1; 310.1) über zwei in einer Fahrzeugquerrichtung im Wesentlichen formschlüssig ineinandergreifende, insbesondere nach Art einer Verzahnung ausgebildete, Oberflächen miteinander in Eingriff sind,
und/oder

- die erste Kontaktfläche (109.1) und/oder die zweite Kontaktfläche (110.1; 210.1; 310.1) aus einem Material ausgebildet ist, das einen Kunststoff, vorzugsweise ein Elastomer, weiter vorzugsweise Polyurethan, umfasst.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass
- zur Übertragung von Kräften in einer Fahrzeuglängsrichtung zwischen dem ersten Kontaktelement (109) und dem zweiten Kontaktelement (110; 210; 310) zwei in einer Fahrzeuglängsrichtung zu beiden Seiten des ersten Kontaktelements (109) und des zweiten Kontaktelements (110; 210; 310) angeordnete Anschlagelemente (125, 126) vorgesehen sind,
und/oder

- die Federeinheit (111) zur Übertragung von Kräften in einer Fahrzeuglängsrichtung wenigstens eine zur Mitnahme in der Fahrzeuglängsrichtung ausgebildete Führungseinrichtung, insbesondere eine Kolbenführung, umfasst.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Federeinheit (111) ein hydraulisches, insbesondere hydropneumatisches, elektromagnetisches oder elektrohydraulisches, Federelement (115) umfasst, welches insbesondere durch eine aktive Hydraulikeinheit versorgt wird, die insbesondere an der Fahrwerkseinheit (104) angeordnet ist,
und/oder

- die Federeinheit (111) ein passives Notfederelement (111.1) umfasst, welches insbesondere kinematisch in Serie mit einem weiteren, insbesondere aktiven, Federelement der Federeinheit (111) angeordnet ist, wobei das Notfederelement (111.1) insbesondere wenigstens eine Gummifeder umfasst,
und/oder

- das erste Kontaktelement (109) und/oder das zweite Kontaktelement (110; 210; 310) ein passives Notfederelement (111.1) umfasst, welches insbesondere wenigstens eine Gummifeder umfasst, und/oder

- die Federeinheit (111) als aktive, durch eine Steuereinrichtung (122) angesteuerte Federeinheit (111) ausgebildet ist, wobei die Steuereinrichtung (122) insbesondere dazu ausgebildet ist, die Federeinheit (111) zur Modifikation einer Federcharakteristik der Federeinheit (111) und/oder zur Niveauregulierung der Federeinheit (111) anzusteuern.
und/oder

- die Federeinheit (111) wenigstens eine passive Dämpfereinrichtung und/oder wenigstens eine aktive Dämpfereinrichtung umfasst.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass
- eine Erfassungseinrichtung zur Erfassung wenigstens einer für den Zustand der Fahrwerkseinheit (104) repräsentativen Erfassungsgröße vorgesehen ist, wobei

- die Federeinheit (111) eine Messeinrichtung der Erfassungseinrichtung, insbesondere zur Höhenmessung und/oder Druckmessung an der Federeinheit (111), aufweist,
und/oder

- eine mit der Erfassungseinrichtung verbundene Steuereinrichtung (122) vorgesehen ist, welche Signale der Erfassungseinrichtung verarbeitet und die Federeinheit (111) in Abhängigkeit von den Signalen der Erfassungseinrichtung, insbesondere zur Niveauregulierung und/oder aktiven Federung und/oder aktiven Dämpfung und/oder Wankkompensation und/oder Erhöhung der Entgleisungssicherheit, insbesondere Erhöhung der Entgleisungssicherheit durch Aufbringen eines Nickmomentes, ansteuert.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass
- eine Wankstützeinrichtung (106; 206) vorgesehen ist, wobei

- die Wankstützeinrichtung (106; 206) kinematisch parallel zu der Federeinheit (111) angeordnet ist
und/oder

- die Wankstützeinrichtung (106; 206) zwei Pendelelemente (106.5, 106.6; 206.5, 206.6) umfasst, welche einen Momentanpol einer Wankbewegung des Wagenkastens (102) definieren.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass
- eine Aktuatoreinrichtung (107) vorgesehen ist, wobei

- eine Aktuatoreinrichtung (107) dazu ausgebildet ist, angesteuert durch eine Steuereinrichtung (122) eine Querauslenkung des Wagenkastens (102) bezüglich des Fahrwerks in einer Fahrzeugquerrichtung zu erzeugen.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass es als Fahrzeug für einen Hochgeschwindigkeitsverkehr mit einer Nennbetriebsgeschwindigkeit oberhalb von 250 km/h, insbesondere oberhalb von 350 km/h, ausgebildet ist.