EP3816009B1

EP3816009B1 - Fahrwerk eines schienenfahrzeugs mit einem hydromechanischen radsatzsteuerungssystem

Info

Publication number: EP3816009B1
Application number: EP20204949.0A
Authority: EP
Inventors: Richard Schneider; Ivo Kovacic
Original assignee: Liebherr Transportation Systems GmbH and Co KG
Current assignee: Liebherr Transportation Systems GmbH and Co KG
Priority date: 2019-10-31
Filing date: 2020-10-30
Publication date: 2023-04-19
Anticipated expiration: 2040-10-30
Also published as: US20210139057A1; DE102019129457A1; ES2949833T3; EP3816009A1; US11708097B2; CN112744250A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fahrwerk mit einem hydromechanischen Radsatzsteuerungssystem für ein Schienenfahrzeug.
Im Stand der Technik sind viele Vorrichtungen zur Steuerung von Radsätzen bei Schienenfahrzeugen vorhanden, vom passiven bis hin zum vollständig aktiven System.
Um einen nachhaltigen Nutzen mit einer Radsatzsteuerung eines Schienenfahrzeugs zu erreichen, müssen die Radsätze entsprechend dem Bogenradius der Gleise aktiv in eine sog. radiale Stellung gebracht werden können, unabhängig vom Bogenradius sowie der Berührgeometrie zwischen Rad und Schiene. Bei der perfekt radial ausgerichteten Stellung verläuft die Achse der Radsatzwelle zum Mittelpunkt des durch die Gleise gebildeten Bogens. Um dies bei hintereinander angeordneten Radsätzen eines Fahrwerks zu erreichen, müssen die Radsätze im Fahrwerk bewegbar angeordnet sein.
Aus dem Stand der Technik sind zum Ausrichten der Stellung von Radsätzen passive oder semi-passive Systeme bekannt, die günstig zu realisieren sind jedoch nur bei größeren Bogenradien des Gleises und idealen Rad-Schienen-Bedingungen gute Resultate erzielen.
Aktive Systeme hingegen liefern unabhängig von den Rad-Schienen-Bedingungen und den überfahrenen Bogenradien die besten Resultate, sind jedoch deutlich teurer in ihrer Umsetzung. Die meisten bekannten aktiven Systeme reagieren zudem relativ langsam, so dass sie ihre Wirkung vor allem bei einer Weichenüberfahrt nicht richtig entfalten können. Des Weiteren sind praktisch alle bekannten, aktiven Systeme nicht für den Einsatz in zweiachsigen Fahrzeugen geeignet.
Die DE 10 2013 103827 A1 zeigt ein gattungsgemäßes Fahrwerk. Auch die EP 3 356198 A1 zeigt ein ähnliches Fahrwerk.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher ein hydromechanisches Radsatzsteuersystem vorzusehen, welches deutlich günstiger ist als ein vergleichbares aktives System, schneller reagieren kann und damit auch für Weichenfahrten geeignet ist sowie sich für zweiachsige Schienenfahrzeuge eignet. Dies gelingt mit einem hydromechanischen Radsatzsteuerungssystem, das sämtliche Merkmale des Anspruchs 1 aufweist. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Systems sind in den abhängigen Ansprüchen zu finden.
Nach der Erfindung umfasst das hydromechanische Radsatzsteuerungssystem für ein Schienenfahrzeug einen vorlaufenden Radsatz und einen nachlaufenden Radsatz, der in einer Fortbewegungsrichtung hinter dem vorlaufenden Radsatz angeordnet ist, wobei der vorlaufende Radsatz dazu ausgelegt ist, seine Stellung in einem Bogen eines mit ihm zusammenwirkenden Schienenpaars zu variieren und/oder der nachlaufende Radsatz die Eigenschaft aufweist, eine günstige Stellung in einem Bogen eines mit ihm zusammenwirkenden Fahrwerkrahmens und Schienenpaars einzunehmen. Das Systems umfasst eine mit dem vorlaufenden Radsatz und dem nachlaufenden Radsatz verbundene Radsatzsteuerung, die dazu ausgelegt ist, den vorlaufenden Radsatz in Abhängigkeit einer Auslenkung des nachlaufenden Radsatzes über ein Hydraulikventil hydraulisch auszulenken, vorzugsweise um den gleichen Betrag wie der nachlaufende Radsatz jedoch in entgegengesetzte Richtung.
Die Steuerung nutzt dabei den Umstand aus, dass typischerweise der nachlaufende Radsatz elastisch und mit niedriger Steifigkeit in einem Fahrwerk geführt ist, so dass sich dieser unabhängig von den Rad-Schienen-Bedingungen immer praktisch radial oder aber überradial im Gleis einstellt. Das erfindungsgemäße Steuerungssystem eignet sich daher ideal für Schienenfahrzeuge mit niedrigeren Geschwindigkeiten, zweiachsigen Fahrzeugen und generell für Schienenfahrzeuge, bei denen aus wirtschaftlichen Gründen, niedrigere Investitionskosten gefordert werden und eine aktive Radsatzsteuerung ausscheidet.
Nach der Erfindung ist also vorgesehen, dass die Stellung des nachlaufenden Radsatzes über eine hydraulische Steuerung entgegengesetzt auf den vorlaufenden Radsatz übertragen wird, so dass dieser ebenfalls mindestens eine radiale oder sogar überradiale Stellung im Gleis einnimmt.
Die Energie für die Steuerung des vorlaufenden Radsatzes wird dabei durch die Hydraulik geliefert und muss nicht von der Reibenergie des nachlaufenden Radsatzes übernommen werden.
Demnach ist nach einer Fortbildung der Erfindung vorgesehen, dass der nachlaufende Radsatz frei oder elastisch mit einer bestimmten Steifigkeit in seinem zugehörigen Fahrwerk geführt ist, um unter allen Rad-Schienen-Bedingungen eine gewünschte radiale und/oder überradiale Stellung in einem Bogen eines Schienenpaars einzunehmen.
Falls eine Übersteuerung vermieden werden sollte oder sogar nur eine begrenzte Steuerung gewünscht wird, kann die Einstellung über eine Erhöhung der parallelen, parasitären Steifigkeiten (z.B. Primärfederung, Zusatzfeder, etc.) oder über eine zusätzliche Steifigkeit im Hydrauliksystem entsprechend reduziert werden.
Nach einer optionalen Variation der Erfindung ist vorgesehen, dass der vorlaufende Radsatz und der nachlaufende Radsatz in einem gemeinsamen Fahrwerkrahmen angeordnet sind und die Stellung des vorlaufenden Radsatzes bzw. nachlaufenden Radsatzes in einem Bogen eines mit dem jeweiligen Radsatz zusammenwirkenden Schienenpaars durch eine Längsbewegung zwischen einem Fahrwerksrahmen und einem jeweiligen Radsatzlager definiert ist.
Ein Radsatz umfasst dabei zwei Räder, die über eine gemeinsame Achse miteinander verbunden sind. Dabei ist vorgesehen, dass jedes der beiden Räder eines Radsatzes auf je einer Schiene eines Schienenpaars abrollt, so dass das Schienenpaar mit je einem Rad eines Radsatzes in Kontakt steht.
Vorzugsweise ist ferner eine Pumpe zum Bereitstellen der Energie für das hydraulischen Auslenken des vorlaufenden Radsatzes vorgesehen, wobei die Pumpe an einem Ende einer Radsatzwelle des vorlaufenden Radsatzes oder des nachlaufenden Radsatzes angeflanscht ist und mit dieser Radsatzwelle antriebsseitig gekoppelt ist.
Dadurch wird die zum Auslenken des vorlaufenden Radsatzes erforderliche Pumpleistung auf geschickte Art und Weise ohne Notwendigkeit einer elektrischen Verkabelung direkt an der Radsatzwelle erreicht, so dass komplizierte Verkabelungsarbeiten entfallen können. Als Pumpe kommt dabei eine gewöhnliche Zahnradpumpe oder Axialkolbenpumpe in Frage, die antriebsseitig direkt mit der Radsatzwelle gekoppelt ist. Alternativ ist von der Erfindung jedoch auch umfasst, dass die Pumpe zum Bereitstellen des erforderlichen Hydraulikdrucks elektrisch angetrieben ist. Die Pumpe kann dabei in einen Ventilblock oder eine hydraulische Powerunit integriert sein.
Gemäß der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Radsatzsteuerungssystem ferner mindestens ein Steuerventil, vorteilhafterweise ein Steuerventil pro Radsatz, umfasst, vorzugsweise ein 4/3-Wegeventil, wobei das Steuerventil:

a) durch eine Auslenkung des nachlaufenden Radsatzes mechanisch oder elektromechanisch betätigbar ist, um das Steuerventil in eine Auslenkstellung zu bringen, die dazu führt, den vorlaufenden Radsatz in entgegengesetzte Richtung wie den nachlaufenden Radsatz hydraulisch auszulenken, und
b) durch eine Auslenkung des vorlaufenden Radsatzes mechanisch oder elektromechanisch betätigbar ist, um das Steuerventil bei Erreichen der gewünschten Auslenkung in eine Blockierstellung zu bringen, die eine weitere hydraulische Auslenkung des vorlaufenden Radsatzes stoppt.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass
c) die Pumpe in der Blockierstellung in einen Leerlaufzustand geschaltet ist, so dass keine Verlustleistungen entstehen.
Nach einer optionalen Modifikation der Erfindung ist vorgesehen, die 4/3-Wegeventile mit federbelasteten Ventilstösseln auszuführen, womit bereits bei kleinen Steuerbewegungen die maximale Durchflussmenge realisiert werden kann.
Nach einer optionalen Modifikation der Erfindung ist vorgesehen, eine Integration aller im Fahrwerk vorhandenen Ventile in einem zentralen Ventilblock als Einheit auszuführen.
Das Steuerventil wird also anhand einer Stellung des nachlaufenden Radsatzes im Gleis bzw. gegenüber dem Fahrwerkrahmen betätigt und sorgt für eine betragsmäßig gleiche aber entgegengesetzte Auslenkung des vorlaufenden Radsatzes.
Nach der Erfindung kann ebenfalls vorgesehen sein, dass die Auslenkung der Radsätze elektrisch übertragen wird und die hieraus erforderliche Ventilstellung über entsprechende Magnetventile erfolgt.
Nach der Erfindung ist es vorgesehen, dass die mechanische Betätigung des Steuerventils des jeweils vorlaufenden Radsatzes zum Versetzen in eine Auslenkstellung über ein Druck-Zug-Kabel erfolgt. Durch eine Montage des Ventils am Radsatz selbst bewegt sich diese automatisch bei Erreichen des vorgegebenen Ausdrehwinkels in eine Blockierstellung.
Nach einer Variante der Erfindung, bei der die Ventile am Fahrwerkrahmen angeordnet sind, erfolgt das Versetzen des Ventils in eine Blockierstellung über ein zweites Druck-Zug-Kabel.
Alternativ kann die Betätigung der Ventile anstelle von Druck-Zug-Kabeln auch durch zwei gegenseitig wirkende reine Zug-Kabel ausgeführt werden.
Die Steuerung der Radsätze kann über den Ausdrehwinkel des Fahrwerks durch Anbringen der Druck-Zug-Kabel zwischen Wagenkasten und Fahrwerkrahmen erfolgen, wobei eine entsprechende Untersetzung des Hubes sowie eine Trennung von Ausdreh- und Längsbewegung vorgesehen sein können.
In anderen Worten wird das Ventil in eine Auslenkstellung verschoben, indem der nachlaufende Radsatz in seiner Stellung auf dem Gleis verändert wird. Dies ist beispielsweise beim Einfahren in eine Gleiskurve der Fall, da nun der nachlaufende Radsatz sich aufgrund seiner elastischen Führung an die Gleiskurve anpasst. Dieses Anpassen des nachlaufenden Radsatzes führt zu einem Wechsel in der Schaltstellung des Steuerventils von einer Blockierstellung in eine Auslenkstellung, in der der vorlaufende Radsatz hydraulisch in die entgegengesetzte Richtung wie der nachlaufende Radsatz ausgelenkt wird. Erreicht der vorlaufende Radsatz die betragsmäßig gleiche Auslenkung wie der nachlaufende Radsatz, wird das Ventil in seine Blockierstellung versetzt. Das Wechseln der Schaltstellungen des Ventils kann dabei über ein Druck-Zug-Kabel erfolgen, welches das Ventil in Abhängigkeit eines Ausdrehwinkels des nachlaufenden Radsatzes gegenüber dem Fahrwerkrahmen am jeweiligen Radsatz betätigt. Alternativ ist von der Erfindung aber auch umfasst, dass die Wechsel der Schaltstellungen elektromechanisch oder elektromagnetisch in Abhängigkeit einer erfassten Stellung eines jeweiligen Radsatzes im Fahrwerk erfolgen können.
Zudem kann nach einer Variante der Erfindung vorgesehen sein, dass die Druck-Zug-Kabel zwischen dem Fahrwerkrahmen und dem Wagenkasten anordenbar sind, womit der Ausdrehwinkel des Fahrwerkrahmens gegenüber dem Wagenkasten als Steuergröße genutzt wird.
Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass mindestens ein Fahrtrichtungsventil je Radsatz vorhanden ist, vorzugsweise ein 6/2-Wegeventil oder eine Kombination eines 4/2-Wegeventils und eines 2/2-Wegeventils, zur Umschaltung der Radsätze von vorlaufend auf nachlaufend und umgekehrt, das durch einen die Drehrichtung charakterisierenden Differenzdruck zwischen Saug- und Druckseite einer mit einer Radsatzwelle gekoppelten Pumpe schaltbar ist. Von der Erfindung ist aber auch die Idee umfasst, wonach das Fahrtrichtungsventil aufgrund einer Fahrtrichtungsinformation, die nicht durch die Pumpe gewonnen wird, eingestellt vorzugsweise elektrisch eingestellt wird. So kann diese Information auch von einem Zugleitsystem oder einem ähnlichen System stammen und zu einem entsprechenden Schalten des Ventils führen. Alternativ kann zu der Schaltung der zwei Steuerleitungen über den Differenzdruck auch eine Steuerleitung ausreichen, wobei eine Federbetätigung des Ventils in die Grundstellung vorgesehen ist.
Diese Konfiguration erweist sich dann von Vorteil, wenn das Schienenfahrzeug seine Fahrtrichtung ändert. Automatisch erfolgt dann ein Schaltstellungswechsel des Fahrtrichtungsventils, so dass der ehemals vorlaufende Radsatz nun als nachlaufender Radsatz fungiert und umgekehrt. Bei einer fest mit der Radsatzwelle gekoppelten Pumpe erfolgt der Schaltstellungswechsel anhand der Druckdifferenz von Saug- und Druckseite.
Da der nachlaufende Radsatz in seiner Stellung auf dem Gleis nicht hydraulisch beeinflusst wird, sorgt das Fahrtrichtungsventil für eine elastische Aufhängung des nachlaufenden Radsatzes, bspw. indem die beiden Kammern eines Betätigungszylinder eines Radsatzes über eine Drossel kurzgeschlossen werden, so dass der nachlaufende Radsatz sich von selbst an einen Bogen eines Schienenpaars anpassen kann.
Nach der Erfindung kann ferner vorgesehen sein, dass die Radsatzsteuerung mit einem Tothub versehen ist, um unerwünschte Steuereffekte bei höheren Geschwindigkeiten in den Geraden und großen Bögen zu vermeiden. Bevorzugterweise führen also Auslenkungen des nachlaufenden Radsatzes, welche in etwa der Einstellung einer Fahrt durch einen Bogen mit um die 1000 m Radius entsprechen, nicht zu einem Ansteuern des vorlaufenden Radsatzes.
Weiter kann nach der Erfindung vorgesehen sein, dass sowohl der nachlaufende Radsatz wie auch der vorlaufende Radsatz über jeweils mindestens einen Betätigungszylinder auslenkbar ist, wobei die beiden Kammern der jeweiligen Betätigungszylinder über eine kleine Drosselblende verbunden sind, so dass sich der zugehörige Radsatz in der Geraden selbständig in die Mittelstellung bewegen kann und damit Toleranzen ausgeglichen werden können, vorzugsweise wobei der Durchmesser der Drosselblende beim vorlaufenden Radsatz und beim nachlaufenden Radsatz unterschiedlich ausgeführt sind, bevorzugterweise derart, dass der vorlaufende Radsatz eine höhere Dämpfung als der nachlaufende Radsatz aufweist, die Drossel also eine geringere Öffnung aufweist.
Dabei kann die Drosselblende derart gestaltet sein, dass keine instabilen Zustände auftreten können und trotzdem eine praktisch ungehinderte Bewegung bei Fahrt in Bögen und Weichen stattfindet.
Weiter kann nach der Erfindung vorgesehen sein, dass die Kammern des Betätigungszylinders des nachlaufenden Radsatzes über das Fahrtrichtungsventil kurzgeschlossen sind, das über eine integrierte Drosselblende verfügt. Dabei kann die integrierte Drosselblende eine Öffnung aufweisen die größer ist als jene Drossel, die fest mit den beiden Kammern eines Betätigungszylinders verbunden ist.
Ferner kann vorgesehen sein, dass die Fahrtrichtungsventile ihre eingenommene Stellung durch unterschiedliche Farbgebung des jeweiligen Ventilstössels bzw. eines Ventilstifts offenbaren, die vorzugsweise durch ein Sichtglas auch von außen erkennbar ist. Dies ermöglicht die visuelle Kontrolle der Stellung des Fahrtrichtungsventils. Sollte eines dieser Ventile blockiert sein, würden in beiden Ventilen unterschiedliche Stellungen zu erkennen sein. Alternativ ist auch ein Anzeigestift denkbar, welcher über den Ventilstössel angehoben oder abgesenkt wird.
Ferner kann in einer Recheneinheit eine Simulation des Steuerungsprinzips über eine elektronische Steuerung der Aktuatoren erfolgen, so dass eine unerwartete und unvorteilhafte Steuerung erkannt werden kann.
Zudem können nach der Erfindung je Radsatz zwei Betätigungszylinder vorhanden sein, die in der zur Fahrtrichtung senkrechte Breitenrichtung an verschieden Seiten des Radsatzes angreifen.
Weiter kann nach der Erfindung vorgesehen sein, dass die Radsatzsteuerung dazu ausgelegt ist, die parallelen, parasitären Steifigkeiten (z.B. Primärfederung, Zusatzfeder, etc.) zur Verminderung möglicher, überradialer oder nur begrenzter Steuerung der Radsätze bei Gleisbedingungen mit ungünstiger Berührgeometrie oder speziellen Verschleißbedingungen anzupassen. Dies kann auch über eine zusätzliche Steifigkeit im Hydrauliksystem selbst erzeugt werden.
Weiter umfasst die Erfindung ein Schienenfahrzeug mit einem Fahrwerk wie es vorstehend eingeführt worden ist.
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile werden anhand der nachfolgenden Figurenbeschreibung ersichtlich. Dabei zeigen:

Fig. 1:: eine schematische Darstellung der vorliegenden Erfindung,
Fig. 2:: eine schematische Darstellung des hydraulischen Schaltbildes der vorliegenden Erfindung, die unabhängig von einer Fahrtrichtung die erfindungsgemäßen Vorteile erreicht, und
Fig. 3:: eine schematische Draufsicht auf einen Fahrwerkrahmen mit dem erfindungsgemäßen Radsatzsteuerungssystem.

Fig. 1 zeigt das erfindungsgemäße Grundprinzip anhand einer stark vereinfachten schematischen Darstellung.
Das hydromechanische Radsatzsteuerungssystem 1 besitzt einen vorlaufenden Radsatz 2 und einen nachlaufenden Radsatz 3 (nicht explizit dargestellt), dessen Stellung im Gleis durch einen dem Radsatz 2, 3 zugehörigen Betätigungszylinder 12 veränderbar ist. Man erkennt, dass die beiden Betätigungszylinder 12 relativ stark gegenläufig zueinander ausgelenkt sind, was für eine Gleiskurve mit relativ geringem Radius spricht. Eine Veränderung des Betätigungszylinders 12 führt dabei immer auch zu einer Änderung des damit in Verbindung stehenden Radsatzes 2, 3.
Die Idee der Erfindung ist es nun, den vorlaufenden Radsatz 2 anhand einer automatisch erfolgenden Auslenkung des nachlaufenden Radsatzes 3 hydraulisch anzupassen.
Um einen freien, bzw. elastischen bzw. anpassbaren nachlaufenden Radsatz 3 zu erhalten, werden die beiden Kammern des zum nachlaufenden Radsatz gehörenden Betätigungszylinders 12 über eine Drossel 16 kurzgeschlossen. Es ist demnach möglich, dass sich der nachlaufende Radsatz aufgrund einer äußeren Krafteinwirkung im Gleis verstellt, so dass bei einer Gleiskurve der vormals gerade ausgerichtete nachlaufende Radsatz eine gewünschte radiale Stellung oder gar eine überradiale Stellung einnimmt.
Verändert sich aber die Stellung des nachlaufenden Radsatzes 3 bzw. die Stellung des zugehörigen Betätigungszylinders 12 hat dies mittels eines ersten Druck-Zug-Kabels 9 Auswirkungen auf ein Steuerventil.
Dieses Steuerventil, welches in der Fig. 1 durch eine 4/3-Ventil umgesetzt ist, nimmt seine Mittenstellung ein, wenn beide Betätigungszylinder betragsmäßig gleich aber entgegengesetzt ausgelenkt sind.
Wird hingegen eine Veränderung in der Stellung des nachlaufenden Radsatzes über das Druck-Zug-Kabel 9 festgestellt, wird es in eine seiner beiden Auslenkstellungen versetzt. In dieser wird der Betätigungszylinder 12 des vorlaufenden Radsatzes 2 mit einer unter Druck stehenden Hydraulikflüssigkeit in Verbindung gebracht, so dass sich der vorlaufende Betätigungszylinder in die entgegengesetzte Richtung wie der nachlaufende Zylinder 12 bewegt.
Bewegt sich beispielsweise der Kolben des nachlaufenden Zylinders nach rechts, so führt das erste Druck-Zug-Kabel dazu, dass die Hochdruckseite der Hydraulikpumpe 6 mit der rechten Kammer des vorlaufenden Betätigungszylinders verbunden, was eine Stellungsveränderung des vorlaufenden Radsatzes mit sich bringt. Befindet sich der Betätigungszylinder auf der gegenüberliegenden Fahrwerkseite wird logischerweise die Hochdruckseite der Hydraulikpumpe 6 mit der linken Kammer des vorlaufenden Betätigungszylinders verbunden.
Erst wenn die betragsmäßig gleiche, jedoch entgegengesetzte Auslenkung erreicht ist, führt das zweite Druck-Zug-Kabel 10 dazu, dass die Auslenkstellung des Steuerventils 8 hin zur Blockier- bzw. Mittelstellung des Steuerventils 8 verschoben wird. In dieser Mittelstellung des Steuerventils 8 wird die Hochdruck- und die Niederdruckseite kurzgeschlossen, so dass die Pumpe 6 im Leerlauf arbeitet.
Damit auch der vorlaufende Betätigungszylinder 12 in der Mittelstellung des Steuerventils 8 kleinere Korrekturen ausführen kann, können die beiden Kammern des Betätigungszylinders 12 über eine Drossel 15 (in Fig. 1 nicht dargestellt) verbunden sein, die einen sehr viel kleineren Durchfluss wie die Drossel 16 erlaubt.
Fig. 2 zeigt nun ein Hydraulikschema der hydromechanischen Radsatzsteuerung 1, das in seiner Grundidee dem Schema der Fig. 1 entspricht, für eine fahrtrichtungsunabhängige Struktur je Betätigungszylinder 12 ein Steuerventil und ein Fahrtrichtungsventil aufweist.
Dabei sind zur Erfassung des nachlaufenden und des vorlaufenden Radsatzes nun Fahrtrichtungsventile vorhanden, die den Hochdruck der je nach Fahrtrichtung in unterschiedliche Richtung laufenden Pumpe 6 an den vorlaufenden Radsatz 2 bzw. den zugehörigen vorlaufenden Betätigungszylinder 12 liefern. Weiter ist auch für jeden Betätigungszylinder 12 ein eigenes Steuerventil 8 vorhanden, wobei dasjenige des nachlaufenden Radsatzes 3 mit Hilfe des Fahrtrichtungsventils 11 von der Hochdruckseite der Pumpe 6 abgekoppelt wird, so dass etwaige Schaltstellungswechsel des nachlaufenden Steuerventils 8 keine Wirkung entfalten.
Die Darstellung der Fig. 2 gilt für ein Fahrwerk 5 mit je einem Betätigungszylinder 12 pro Radsatz 2, 3. Die Funktion entspricht dabei im Wesentlichen dem bereits zu Fig. 1 erläuterten Vorgehen. Am jeweils nachlaufenden Radsatz 3 ist ein Zug-Druck Kabel 10 an der Radsatzführung befestigt, welches die Längsbewegung zwischen Fahrwerkrahmen 5 und Radsatzlager auf das Steuerventil 8, hier ein 4/3-Wegeventil am vorlaufenden Radsatz 2 überträgt. Bei Betätigung des Steuerventils 8 wird der Betätigungszylinder 12 des vorlaufenden Radsatzes 2 mit Druck beaufschlagt, so dass er sich in entgegengesetzte Richtung zu dem nachlaufenden Radsatz 3 bewegt, bis er die gleiche Einstellung erreicht, wie diese des nachlaufenden Radsatzes 2. Dann wird das Steuerventil 8 wieder automatisch in seine Mittelstellung gebracht, in der der Zylinder 8 praktisch hydraulisch blockiert und die Druck- und Rückleitung von der Pumpe 6 kurzgeschlossen sind, so dass die Pumpe 6 keinen Druck mehr erzeugen muss und nahezu keine Verlustleistung generiert.
Die Energie bzw. der Druck für die Einstellung wird durch eine Pumpe 6, die eine Zahnradpumpe sein kann, erzeugt, welche am Radsatzwellenende angeflanscht ist und durch die Drehbewegung des Radsatzes 2, 3 angetrieben wird. Der Volumenstrom wird dann je nach Fahrtrichtung über vier Rückschlagventile 19 gleichgerichtet und an die Ventile 8, 11 der Zylinder 12 weitergeleitet. Ein Überdruckventil 26 sowie ein Hydrospeicher 21 vervollständigen die Druckversorgung. Durch den Einsatz eines Hydrospeichers 21, welcher im Rücklauf und mit niedrigem Druck betrieben wird, wird ein geschlossenes System geschaffen und es wird im Leerlauf praktisch keine Blindleistung erzeugt. Die Rückschlagventile 19 sowie der Hydrospeicher 21 können direkt an Pumpe 6 oder auch in einem der optional vorhandenen Ventilblöcke 23 integriert sein. Alternativ ist auch ein offenes System ohne Druckspeicher jedoch mit einfachem Ölsumpf denkbar.
Zudem kann ein Einbau eines zusätzlichen Druckspeichers auf der Druckseite zur kurzzeitigen Leistungserhöhung vorgesehen sein, so dass vorzugsweise auch plötzlich auftretende enge Gleiskurven, wie sie typischerweise in Weichen vorkommen, aufgrund einer zusätzlich beschleunigten Aktuation, die wegen dem zusätzlichen Druckspeicher möglich ist, bei Nutzung der Vorteile der Erfindung durchfahren werden können. Selbstverständlich ist es aber auch möglich, den bereits vorhandenen Druckspeicher ausreichend leistungsstark zu dimensionieren.
Über eine drehrichtungsabhängige hydraulisch Vorsteuerung verkörpert durch das Fahrtrichtungsventil 11, hier ein 6/2 Wegeventil, werden die Kammern des Betätigungszylinders 12 des nachlaufenden Radsatzes 3 über eine Drosselblende 16 kurzgeschlossen, damit der nachfolgende Radsatz 3 praktisch frei und ohne Verzögerung, aber gedämpft, seine radiale bzw. überradiale Stellung im Gleis einnehmen kann. Zudem wird der nachlaufende Radsatz 3 über das Fahrtrichtungsventil 11 von der Druck- und Saugseite (bzw. Tankseite) entkoppelt. Die Kammern des Betätigungszylinders 12 am vorlaufenden Radsatz 2 werden durch das Fahrtrichtungsventil 11 zum Steuerventil 8 freigegeben, womit eine Ansteuerung über das mit dem vorlaufenden Radsatz 2 in Verbindung stehende Steuerventil 8 ermöglicht wird. Die Fahrtrichtungsventile 11 werden bspw. durch die wechselnde Druckdifferenz an einer doppeltwirkenden Zahnradpumpe 6 bei Vor- bzw. Rückwärtsfahrt (Drehrichtungsumkehr) über hydraulische Steuerleitungen 17 betätigt. Zudem werden die Fahrtrichtungsventile 11 über Federn in eine Grundstellung gebracht, so dass keine undefinierten Stellungen auftreten können. Speziell im Stillstand des Schienenfahrzeugs, wenn an der Pumpe 6 keine effektive Druckdifferenz vorhanden ist, ist dies von Vorteil.
Die Radsatzsteuerung 4 kann darüber hinaus einen Tothub besitzen, so dass es bei höheren Geschwindigkeiten und in großen Bögen des Gleises zu keiner dynamischen Ansteuerung des vorlaufenden Betätigungszylinders 12 kommt, die das Fahrverhalten des Fahrzeuges negativ beeinflussen würden. Dieser Tothub wird über eine positive Überdeckung der Ventile 8 realisiert. Zudem sind die beiden Kammern jedes Betätigungszylinders 12 über eine kleine Drosselblende 15 miteinander verbunden, so dass eine sehr hohe Dämpfung der Bewegung entsteht. Diese ermöglicht dem Radsatz 2, 3, sich in der Geraden selbständig in der Mittellage auszurichten und somit Toleranzen und Fehler der Einstellungen auszugleichen.
Wie in Fig. 3 gezeigt, wird vorzugsweise je ein Ventilblock 23, bestehend aus einem Steuerventil 8 und einem Fahrtrichtungsventil 11, an einer Radsatzführung (z.B. Schwingarm, Radsatzlagergehäuse, Achslenker, etc.) befestigt und über zwei Druck-Zug-Kabel 9, 10 mit der gegenüberliegenden Radsatzführung verbunden. Die Kabel 9, 10 sind jeweils wechselseitig am Ventilkörper bzw. an der Ventilbetätigungsstange befestigt. Die beiden Kabel 9, 10 können zusammen mit den drei bzw. vier Hydraulikleitungen 17, 18 (Druck-, Rück- und Steuerleitung(en)) in einem Schutzschlauch 22 oder Schutzrohr zusammengefasst und im Drehgestell entsprechend verlegt werden. Ein Steuerungssystem 4, bestehend aus zwei Ventilblöcken 23, zwei Druck-Zug-Kabeln 9, 10, den drei bzw. vier Hydraulikleitungen 17, 18 sowie der Pumpe 6 kann in dieser Form bei der Herstellung vorkonfektioniert werden, so dass bei der Montage am Fahrwerk 5 keine aufwendigen Einstellarbeiten mehr erforderlich sind. Das System 4 wird damit montage- und unterhaltsfreundlich.
Die Pumpe 6 und die von ihr abgehenden Hydraulikleitungen 18 sind in der Regel derart dimensioniert, dass große Hubgeschwindigkeiten erreicht werden, um bei Fahrt durch Weichen die volle Auslenkung noch vor den kritischen Stellen, wie dem Weichenherz, erreicht wird.
Dabei kann vorgesehen sein, dass die Querschnittsöffnungen der Ventile 8 eine progressive Form aufweisen, damit die Positioniergenauigkeit bei kleinen Öffnungen verbessert wird.
Fig. 3 zeigt weiter, dass die Pumpe 6 vorzugsweise direkt am Radsatzwellenende angebracht sein kann. Damit entsteht kein zusätzlicher Platzbedarf innerhalb des Fahrwerks 5, da dieser in den meisten Fällen ohnehin sehr knapp bemessen ist. Die Rückschlagventile 19 sowie der Hydrospeicher 21 werden vorzugsweise direkt im Ventilblock 23 integriert.
Durch die Nutzung des nachlaufenden Radsatzes 3 als Steuer- bzw. Regelgröße kann eine ca. 6 - 8 mal schnellere Reaktionszeit wie bei klassischen Bogenerkennungssystemen -wie z.B. über den Ausdrehwinkel des Fahrwerks oder eine Bogenerkennungssensorik (Kreisel, Beschleunigungen, etc.)- erreicht werden, so dass die erfindungsgemäße Steuerung auch bei Weichenfahrten die erforderlich hohe Leistung erbringen kann. Die Leistung bzw. das Fördervolumen der Pumpe 6 kann derart bemessen sein, dass die Stellgeschwindigkeit bei 40 km/h ausreicht, um den gesamten Hub vor Erreichen des Herzstückes einer Weiche zu erreichen.
Ferner kann nach der Erfindung eine Zustandsanzeige in Form einer Drucküberwachung vorgesehen sein, welche entweder rein mechanisch eine Anzeige generiert, oder aber elektrisch über eine LED-Anzeige erfolgt. Die Stromversorgung dieser Überwachung erfolgt beispielsweise über einen Kondensator, welcher vom System selbst über Umwandlung von Druckänderungen in Spannung aufgeladen wird.
Zudem kann am Ventilblock ein Schauglas montiert sein, welches die visuelle Kontrolle der Stellung des Fahrtrichtungsventils 11 zur Fahrtrichtungsumstellung ermöglicht. Sollte eines dieser Ventile blockiert sein, würden in beiden Ventilen unterschiedliche Stellungen zu erkennen sein. Alternativ dazu ist auch ein Anzeigestift denkbar, welcher über den Ventilstössel angehoben oder abgesenkt wird.

Bezugszeichenliste:

1: Hydromechanisches Radsatzsteuerungssystem
2: vorlaufender Radsatz
3: nachlaufender Radsatz
4: Radsatzsteuerung
5: Fahrwerk / Fahrwerksrahmen
6: Pumpe
7: Radsatzwelle
8: Steuerventil
9: erstes Druck-Zug-Kabel
10: zweites Druck-Zug-Kabel
11: Fahrtrichtungsventil
12: Betätigungszylinder
13: Kammer Betätigungszylinder
14: Kammer Betätigungszylinder
15: Drosselblende
16: in Fahrtrichtungsventil integrierte Drosselblende
17: Differenzdrucksteuerleitung
18: Hydraulikleitung
19: Rückschlagventil
21: Hydrospeicher
22: Schutzschlauch
23: Ventilblock
24: Befestigung
25: Festpunkt für Druck-Zug-Kabel
26: Überdruckventil

Claims

Fahrwerk eines Schienenfahrzeugs mit einem hydromechanischen Radsatzsteuerungssystem (1), umfassend:
ein Steuerventil (8),

einen vorlaufenden Radsatz (2), und

einen nachlaufenden Radsatz (3), der in einer Fortbewegungsrichtung hinter dem vorlaufenden Radsatz (2) angeordnet ist, wobei

der vorlaufende Radsatz (2) dazu ausgelegt ist, seine Stellung in einem Bogen eines mit ihm zusammenwirkenden Schienenpaars zu variieren,

eine mit dem vorlaufenden Radsatz (2) und dem nachlaufenden Radsatz (3) verbundene Radsatzsteuerung (4) vorgesehen ist, die dazu ausgelegt ist, den vorlaufenden Radsatz (2) in Abhängigkeit einer Auslenkung des nachlaufenden Radsatzes (3) hydraulisch über das Steuerventil (8) auszulenken, vorzugsweise um den gleichen Betrag wie der nachlaufende Radsatz (3) jedoch in entgegengesetzte Richtung,

dadurch gekennzeichnet, dass

das Steuerventil (8):
a) durch eine Auslenkung des nachlaufenden Radsatzes (3) mechanisch oder elektromechanisch betätigbar ist, um das Steuerventil (8) in eine Auslenkstellung zu bringen, die dazu führt, den vorlaufenden Radsatz (2) in entgegengesetzte Richtung wie den nachlaufenden Radsatz (3) hydraulisch auszulenken, und

b) durch eine Auslenkung des vorlaufenden Radsatzes (2) mechanisch oder elektromechanisch betätigbar ist, um das Steuerventil (8) bei Erreichen der gewünschten Auslenkung in eine Blockierstellung zu bringen, die eine hydraulische Auslenkung des vorlaufenden Radsatzes (2) unterbindet, vorzugsweise wobei

c) die Pumpe in der Blockierstellung in einen Leerlaufzustand geschaltet ist, so dass keine Verlustleistungen entstehen und

dass die mechanische Betätigung des Steuerventils (8) zum Verbringen in eine Auslenkstellung über ein erstes Druck-Zug-Kabel (9) und zum Verbringen in eine Blockierstellung über ein zweites Druck-Zug-Kabel (10) erfolgt, wobei vorzugsweise das erste Druck-Zug-Kabel (9) den Ausdrehwinkel des nachlaufenden Radsatzes (3) gegenüber dem Fahrwerkrahmen (5) und das zweite Druck-Zug-Kabel (10) den Ausdrehwinkel des vorlaufenden Radsatzes (2) gegenüber dem Fahrwerkrahmen (5) wiedergeben, vorzugsweise indem das jeweilige Druck-Zug-Kabel (9, 10) mit einem Betätigungszylinder (12) des zugehörigen Radsatzes (2, 3) gekoppelt ist.
Fahrwerk nach Anspruch 1, wobei der nachlaufende Radsatz (3) praktisch frei oder elastisch mit einer bestimmten Steifigkeit in seinem zugehörigen Fahrwerk (5) geführt ist, um unter allen Rad-Schienen-Bedingungen eine gewünschte radiale und/oder überradiale Stellung in einem Bogen eines Schienenpaars einzunehmen.
Fahrwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der vorlaufende Radsatz (2) und der nachlaufende Radsatz (3) in einem gemeinsamen Fahrwerkrahmen (5) angeordnet sind und die Stellung des vorlaufenden Radsatzes (2) bzw. nachlaufenden Radsatzes (3) in einem Bogen eines mit dem jeweiligen Radsatz (2 ,3) zusammenwirkenden Schienenpaars durch eine Längsbewegung zwischen einem Fahrwerksrahmen (5) und einem jeweiligen Radsatzlager definiert ist.
Fahrwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit einer Pumpe (6) zum Bereitstellen der Energie für das hydraulischen Auslenken des vorlaufenden Radsatzes (2), wobei die Pumpe (6) an einem Ende einer Radsatzwelle (7) des vorlaufenden Radsatzes (2) oder des nachlaufenden Radsatzes (3) angeflanscht ist und mit dieser Radsatzwelle (7) antriebsseitig gekoppelt ist.
Fahrwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Druck-Zug-Kabel (9, 10) zwischen dem Fahrwerkrahmen (5) und dem Wagenkasten anordenbar sind, womit der Ausdrehwinkel des Fahrwerkrahmens (5) gegenüber dem Wagenkasten als Steuergröße genutzt wird.
Fahrwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit mindestens einem Fahrtrichtungsventil (11) je Radsatz (2, 3), vorzugsweise ein 6/2-Wegeventil, zur Umschaltung der Radsätze (2, 3) von vorlaufend auf nachlaufend und umgekehrt, das durch einen die Drehrichtung charakterisierenden Differenzdruck zwischen Saug- und Druckseite einer mit einer Radsatzwelle (7) gekoppelten Pumpe (6) schaltbar ist.
Fahrwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Radsatzsteuerung (4) mit einem Tothub versehen ist, um unerwünschte Steuereffekte bei höheren Geschwindigkeiten in den Geraden und großen Bögen zu vermeiden.
Fahrwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sowohl der nachlaufende Radsatz (3) wie auch der vorlaufende Radsatz (2) über jeweils einen Betätigungszylinder (12) auslenkbar ist, wobei die beiden Kammern (13, 14) der jeweiligen Betätigungszylinder (12) über eine kleine Drosselblende (15) verbunden sind, so dass sich der zugehörige Radsatz (2, 3) in der Geraden selbständig in die Mittelstellung bewegen kann und damit Toleranzen ausgeglichen werden können, vorzugsweise wobei der Durchmesser der Drosselblende (15) beim vorlaufenden Radsatz (2) und beim nachlaufenden Radsatz (3) unterschiedlich ausgeführt sind, vorzugsweise derart, dass der vorlaufende Radsatz (2) eine höhere Dämpfung als der nachlaufende Radsatz (3) aufweist.
Fahrwerk nach den vorhergehenden Ansprüchen 6 und 8, wobei die Kammern des Betätigungszylinders (12) des nachlaufenden Radsatzes (3) über das Fahrtrichtungsventil (11) kurzgeschlossen sind, das über eine integrierte Drosselblende (16) verfügt.
Fahrwerk nach Anspruch 6, wobei eine Montage des Steuerventils (8) und des Fahrtrichtungsventils (11) paarweise an einer jeweiligen Radsatzführung vorgesehen sind, so dass bei vor- und nachlaufenden Radsätzen (2, 3) zwei Steuerventile (8) und zwei Fahrtrichtungsventile (11) vorhanden sind.
Fahrwerk nach Anspruch 10, wobei die Fahrtrichtungsventile (11) ihre eingenommene Stellung durch unterschiedliche Farbgebung des jeweiligen Ventilstößels bzw. eines Ventilstifts offenbaren, die vorzugsweise durch ein Sichtglas auch von außen erkennbar ist.
Fahrwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei je Radsatz (2, 3) zwei Betätigungszylinder (12) vorhanden sind, die in der zur Fahrtrichtung senkrechten Breitenrichtung an verschieden Seiten des Radsatzes (2, 3) angreifen.
Schienenfahrzeug mit einem Fahrwerk nach einem der Ansprüche 1-12.