EP4227188A1 - Schienenfahrzeugfahrwerk mit einer vorrichtung zum steuern einer radachse - Google Patents

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Publication number
EP4227188A1
EP4227188A1 EP23152988.4A EP23152988A EP4227188A1 EP 4227188 A1 EP4227188 A1 EP 4227188A1 EP 23152988 A EP23152988 A EP 23152988A EP 4227188 A1 EP4227188 A1 EP 4227188A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
actuator
wheel axle
damping device
running gear
axle
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP23152988.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Richard Schneider
Ivo Kovacic
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Liebherr Transportation Systems GmbH and Co KG
Original Assignee
Liebherr Transportation Systems GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Liebherr Transportation Systems GmbH and Co KG filed Critical Liebherr Transportation Systems GmbH and Co KG
Publication of EP4227188A1 publication Critical patent/EP4227188A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61F—RAIL VEHICLE SUSPENSIONS, e.g. UNDERFRAMES, BOGIES OR ARRANGEMENTS OF WHEEL AXLES; RAIL VEHICLES FOR USE ON TRACKS OF DIFFERENT WIDTH; PREVENTING DERAILING OF RAIL VEHICLES; WHEEL GUARDS, OBSTRUCTION REMOVERS OR THE LIKE FOR RAIL VEHICLES
    • B61F5/00—Constructional details of bogies; Connections between bogies and vehicle underframes; Arrangements or devices for adjusting or allowing self-adjustment of wheel axles or bogies when rounding curves
    • B61F5/38—Arrangements or devices for adjusting or allowing self- adjustment of wheel axles or bogies when rounding curves, e.g. sliding axles, swinging axles
    • B61F5/386—Arrangements or devices for adjusting or allowing self- adjustment of wheel axles or bogies when rounding curves, e.g. sliding axles, swinging axles fluid actuated

Definitions

  • the present invention relates to the running gear of a rail vehicle according to the preamble of claim 1 and a device for controlling a wheel axle of such a running gear according to the preamble of claim 14.
  • the profiled shape of the wheels generally causes the wheelset of the bogie to run in a sinusoidal manner. If the wheel axles are not connected rigidly enough to the chassis frame, the wheel set will run unstable at high cruising speeds.
  • a hydraulic actuator unit for active wheel or wheel set control for a chassis of a rail vehicle is known.
  • This actuator unit is characterized primarily by its basic cylindrical shape, which means that a conventional axle steering bearing can be directly substituted with the actuator described.
  • the actuator is characterized in that it has no basic static rigidity. It must therefore be expended no energy and no force to actuate the actuator.
  • a lack of basic rigidity has a disadvantage in the event of a fault in which leakage leads to complete loss of oil. In this case, the wheel axles of the rail vehicle are no longer connected rigidly enough to the running gear, which can lead to unstable running of the wheelset.
  • active wheel set control systems do not offer sufficient driving safety in certain error cases, especially at higher driving speeds.
  • the present invention is therefore based on the object of providing an active wheel or wheel set control which overcomes the aforementioned disadvantages.
  • a chassis of a rail vehicle with a wheel axle and a device for controlling the wheel axle comprising a fluidic actuator which couples the wheel axle to the chassis and by means of which the steering angle of the wheel axle can be adjusted.
  • the wheel axle can be part of a wheel set of the running gear or represent the wheel set itself.
  • the chassis includes a damping device which couples the wheel axle to the chassis parallel to the actuator.
  • the term "parallel" is not to be understood in terms of geometry, but in terms of effect technology.
  • the damping device according to the invention is characterized in that it has a frequency-dependent dynamic or equivalent rigidity, but no static rigidity.
  • the damping device has a Stiffness that depends on the excitation or vibration frequency (in particular, the stiffness increases with the excitation frequency), while in the static case there is no basic stiffness, so that in this case no force has to be applied.
  • the actuator for adjusting the steering angle of the wheel axle does not have to work against a static basic rigidity of the damping device, but only against its dynamic rigidity, which requires significantly less energy to position the wheel axle.
  • the parallel arrangement of the actuator and damping device according to the invention allows the use of active wheel set controls even for high speeds, since this reliably ensures driving safety even in the event of a fault.
  • one from the prior art for example from the DE 10 2017 002 926 A1 , well-known actuator can be used without having to make the wheelset control system fail-safe by means of a complex redesign.
  • the actuator can be a pneumatic or hydraulic actuator, with the latter embodiment being preferred.
  • the equivalent stiffness of the damping device is frequency-dependent is to be interpreted broadly and is not limited to a specific form of dependency. In the simplest case, this can simply mean that the stiffness at zero excitation frequency (static case) is also zero (zero basic stiffness), while the stiffness at frequencies above zero assumes a nonzero value. This can be a constant value, for example. A linear or non-linear progression of the rigidity as a function of the excitation frequency is also conceivable. However, the equivalent rigidity preferably increases with the excitation frequency, in particular linearly, in order to provide sufficient rigidity precisely at high driving speeds, which are associated with higher excitation frequencies.
  • the actuator has a first operating mode in which it functions as a passive damping element with a frequency-dependent dynamic stiffness, the actuator in particular not having any static stiffness.
  • the actuator In the first operating mode, the actuator is only used for passive damping of the wheel axle, with the damping effect being provided in parallel with the damping device.
  • the rigidities of the actuator and the damping device advantageously add up here.
  • the actuator functions as an actuating drive, by means of which the steering angle of the wheel axle can be actively adjusted.
  • the actuator can optionally have a third operating mode in which it is fixed, in particular fluidically blocked. This can be used, for example, while traction of the rail vehicle is in effect or while holding a position that has been moved to. In the third operating mode, the actuator is therefore in particular not adjustable and/or has no primary damping function.
  • the different operating modes of the actuator can be selected or activated by means of a control valve. It is thus possible to switch between the operating modes by means of the control valve.
  • the control valve can be a hydraulic valve, for example a directional control valve, or a valve arrangement.
  • the control valve can preferably be switched by means of a control unit.
  • the control unit can preferably receive signals from one or more sensors and, based on these signals, switch the control valve to a specific switching position that corresponds to a specific operating mode of the actuator.
  • the control valve can have fluidic inputs and outputs of the actuator, which are connected in particular to corresponding fluidic chambers of the actuator, connect to a fluid source, ie the control valve is connected between the fluid source and the actuator.
  • the fluid source may include a hydraulic motor and one or more hydraulic pumps.
  • the fluid source may include one or more high pressure accumulators.
  • the fluid source is preferably connected to the fluidic inlets and outlets of the actuator, so that a desired adjustment or positioning of the actuator can be carried out by applying pressure accordingly.
  • the fluidic inputs and outputs of the actuator can be separated from the fluid source and/or connected to one another via a throttle device.
  • the throttle device can ensure a corresponding damping effect of the actuator in the first operating mode, similar to a hydraulic vibration damper or shock absorber.
  • the fluidic inputs and outputs of the actuator can be separated from the fluid source and from each other.
  • control unit is set up to switch the control valve to a switch position corresponding to the first operating mode when the rail vehicle is traveling straight ahead.
  • control unit can be set up to switch the control valve to a switch position corresponding to the second operating mode when the rail vehicle is cornering.
  • control unit can be set up to switch the control valve to a switch position corresponding to the third operating mode.
  • the control unit is preferably also set up to automatically detect straight-ahead driving or cornering (or the defined state mentioned for the third operating mode) based on signals from at least one sensor and to switch and/or regulate the control valve accordingly.
  • control and/or regulation of the control valve or the actuator i.e. on the one hand for the selection of the respective operating mode but possibly also for the control of the wheel axle in the second operating mode, i.e. for the targeted activation of the actuator for positioning the wheel axle
  • Signals from encoders, angle sensors, pressure sensors, speed sensors, acceleration sensors or the like are used.
  • a driving speed or lateral acceleration can be measured.
  • determine a traction force by measuring a longitudinal movement between the running gear and a car body or car rotatably connected to the running gear.
  • An actuator force can be detected by measuring the pressure in the actuator.
  • an integrated pressure sensor to carry out a pressure measurement in the damping device, which is made available to the control unit. This could possibly be combined with a corresponding pressure measurement in the actuator.
  • the damping device comprises at least one passive damping element.
  • This damping element preferably represents a Maxwell body or a Maxwell element (i.e. a series connection of a Hook spring and a damper in rheological modeling).
  • the entire damping device represents a Maxwell element.
  • the damping device can only include a single passive damping element or a series connection of several such passive damping elements. In the latter case, one or more damping elements can be activated or connected as required, possibly via the control unit described above or via a separate control.
  • a damping element of the damping device is designed as a fluid, in particular hydraulic, shock absorber and preferably does not include a mechanical spring element.
  • a damping element has no basic static rigidity.
  • the damping device as such has no basic static rigidity.
  • a hydraulic bush for example to mount the damping device on the chassis and/or on the wheel axle.
  • the hydro bushing can be designed with a lower residual rigidity, which significantly increases its performance.
  • a damping element of the damping device is permanently connected in parallel to the actuator, i.e. its damping effect or rigidity acts permanently on the wheel axle parallel to the actuator.
  • the damping element can still provide sufficient rigidity for the bearing of the wheel axle. Total failure would only occur in the extremely unlikely event of a fault or a leak in the actuator and in the parallel damping element (double fault), which, however, represents an acceptable residual risk.
  • a damping element of the damping device can be switched on if required. This can result, for example, from a desired damping behavior under certain conditions, for example a certain driving speed.
  • the damping element can preferably be switched on when a malfunction of the actuator is detected. Such a malfunction is present in particular if there is a leak in the actuator, which can preferably be registered by detecting a drop in pressure using a pressure sensor provided in the actuator. With such a leak, the actuator alone do not provide sufficient rigidity for mounting the wheel axle, which can lead to unstable wheel arching, especially at high speeds. In this case, the activated damping element can "take over" and provide sufficient rigidity.
  • the actuator comprises a pressure sensor, by means of which a pressure drop in the actuator can be detected, the switchable damping element preferably being fluidically (in particular hydraulically) coupled to the actuator in such a way that it is automatically “activated” in the event of a pressure drop. or switched on.
  • the damping device couples the wheel axle to the chassis parallel to the actuator in such a way that the rigidities of the actuator and the damping device add up, with the system of actuator and damping device preferably having no static rigidity or basic rigidity.
  • the combination of actuator and damping device can, for example, have a dynamic stiffness that corresponds to that of a conventional hydraulic bush (except for the residual stiffness, which is greater than zero in a hydraulic bush and equal to zero in the devices according to the invention).
  • the wheel axle is rotatably mounted on a wheel suspension, with both the actuator and the damping device being coupled to the wheel suspension.
  • the actuator is preferably connected to a swing arm of the wheel suspension.
  • the damping device can be connected to an axle bearing cover of the wheel suspension. It is also conceivable that the actuator and damping device are attached to a common swing arm.
  • the damping device is preferably connected via the axle bearing cover mentioned, which in turn is connected to the swing arm.
  • the connection of the damping device via the axle bearing cover makes it easier to retrofit existing ones landing gears. In particular, the adjustment of the entire swing arm or the wheel suspension can be bypassed in the course of retrofitting.
  • a longitudinal axis of the damping device running along the damping direction intersects with the axis of rotation (i.e. the longitudinal axis running centrally along the wheel axle) of the wheel axle.
  • At least one travel sensor or position sensor is integrated in the actuator and/or in the damping device, by means of which preferably an extension length of the actuator and/or an extension length of the damping device and/or a position (e.g. an angular position ) of the wheel axle can be determined and in particular made available to a control unit for controlling and/or regulating the wheel axle position. Integrating the travel sensor for the active wheel set control into the damping device makes it possible to protect the sensor from the environmental conditions in the vicinity of the wheel set. In addition, if the sensor fails, the displacement encoder is much easier to replace than if it were integrated in the actuator. This reduces maintenance costs and increases reliability.
  • the actuator comprises an axle body fastened to the chassis, a fluidic synchronous cylinder and a housing coupled to the wheel axle and movable in correspondence with a movement of the synchronous cylinder in relation to the axle body.
  • the synchronous cylinder is formed in the axle body or integrated into it and comprises a piston which has a piston rod penetrating the axle body on each of its two flat sides.
  • Each of the piston rods penetrating the axle body is connected to the housing, in particular at its end remote from the piston surface, via a piston spring element.
  • the axle body is usually fastened in a stationary manner to the chassis, so that a movement of the housing relative to the axle body can be used for a stroke to deflect the wheel axle.
  • the actuator preferably corresponds to that in FIG DE 10 2017 002 926 A1 disclosed actuator, any of the embodiments described therein for the actuator of the present invention in question.
  • the lesson of DE 10 2017 002 926 A1 is fully included in the present disclosure with respect to the possible configuration of the actuator.
  • the present invention further relates to a device for controlling a wheel axle of a chassis according to the invention.
  • the device comprises a fluidic actuator according to the invention and a damping device according to the invention, which can be designed according to one of the exemplary embodiments described above.
  • the actuator can be coupled to the wheel axle on the one hand and to the chassis on the other hand.
  • the damping device can be coupled parallel to the actuator on the one hand with the wheel axle and on the other hand with the chassis.
  • the damping device can be a component that is separate from the actuator. However, it is also conceivable that the damping device is integrated in the actuator or that the damping device and actuator are integrated in a common housing. This relates not only to the device according to the invention, but generally to the chassis according to the invention. This results in even simpler assembly and disassembly, for example for the purpose of simple retrofitting of existing undercarriages of rail vehicles.
  • the present invention also relates to a rail vehicle with a running gear according to the invention.
  • the advantages and properties are obviously the same as for the chassis according to the invention, which is why a repeated description is dispensed with
  • FIG 1 a schematic top view of an exemplary embodiment of the chassis 10 according to the invention is shown.
  • the figure shows part of a car body or car 1 of the rail vehicle during cornering (the tracks are shown as curved lines).
  • the part of the carriage 1 shown comprises a chassis 10 with two steerable wheel axles 12 which together form a wheel set of the chassis 10.
  • Each wheel axle 12 comprises two wheels which are rigidly or non-rotatably connected to one another via an axle and sit on the rails.
  • the wheel axles 12 or the wheel set are steered or controlled via an active wheel set control, which is described in more detail below.
  • each wheel axle 12 can be adjusted on one side via an actuator 22, with the wheel axles 12 being coupled to the actuators 22 on different sides.
  • the wheel axles 12 could be coupled to an actuator 22 on each side.
  • the primary aim of the active wheelset control is to apply pressure to the actuators 22 so that the wheel axles 12 rotate about their vertical axes.
  • the actuators 22 are hydraulic actuators. Preferably, these are actuators, which in the DE 10 2017 002 926 A1 are described. Of course, other actuators 22 can also be used for the active wheelset control.
  • the actuators 22 are on the one hand attached to a chassis frame 18 of the chassis 10, which in the figure 1 only schematically marked with a line.
  • the moving parts of the actuators 22 are each equipped with a swing arm 14 coupled to a wheel suspension of the associated wheel axle 12 .
  • each wheel axle 12 is also connected to the chassis frame 18 via a further swing arm 14 and a bearing 19 .
  • the bearing 19 can be a mechanical bearing or a hydraulic bush, for example.
  • a damping device 24 or an axle damper 24 (these two terms are used synonymously below) is provided parallel to each actuator 22 and also couples the swing arm 14 to the chassis frame 18 .
  • Each wheel axle 12 is thus mounted on the chassis 10 via a device 20 comprising an actuator 22 and a damping device 24 and is actively adjustable.
  • the device 20 serves to dampen the respective wheel axle 12 in order to ensure smooth running.
  • two wheel axles could also be coupled via a common actuator 22, in which case the actuator can also be attached to the chassis 10.
  • a damping device 24 would also be coupled parallel to the actuator 22 with the two wheel axles.
  • the additional damping device 24 is characterized in that it has no basic static rigidity, but only a frequency-dependent, dynamic or equivalent rigidity.
  • the stiffness increases with the excitation frequency.
  • actuator 22 does not have to work against the static residual stiffness of damping device 24, so that less effort is required to adjust wheel axle 12.
  • the damping device 24 is also attached to the chassis frame 18 and coupled to the wheel axle 12 via an axle bearing cover 16 which in turn is connected to the swing arm 14 .
  • the longitudinal axis of the damping device 24 intersects the wheel axle 12 so that no additional moment is applied to the swing arm 14 via the damping device 24 .
  • connection of the damping device 24 via the axle bearing cover 16 facilitates the retrofitting of existing chassis 10. In the course of retrofitting, the adaptation of the entire swing arm 14 can thus be avoided. However, it is also possible to connect the damping device 24 to the swing arm 14 without cutting the axes of the wheel axle 12 and the damping device 24 .
  • a position detection at the actuator 22 is required for the wheel set control
  • a corresponding sensor system for example in the form of technically established solutions, can be integrated in the damping device 24 arranged in parallel. This makes it possible to protect the encoder or position sensor from the environmental conditions in the vicinity of the wheelset and also makes it easier to replace the sensor.
  • the damping device 24 can comprise a single damping element or a combination of different damping elements. These can either all be switched on permanently in parallel with the actuator 22, or one or more damping elements could be activated or switched on in the event of a fault in the actuator 22 (in particular in the event of a fluid leak).
  • the figure 2 shows in the left figure a rheological equivalent circuit diagram of an embodiment of the device 20 according to the invention comprising the actuator 22 and the damping device 24, and in the right figure a schematic representation of the corresponding equivalent stiffness c eq of the actuator 22 (upper dashed line), the damping device 24 (lower dashed line) and their combination (solid line) as a function of the excitation frequency f.
  • the actuator 22 has three operating modes: in a first operating mode, which is in the figure 2 is shown, the actuator 22 represents a passive damping element with a frequency-dependent equivalent stiffness and a residual stiffness of zero.
  • This first operating state or operating mode is preferably assumed when the rail vehicle is traveling straight ahead.
  • the actuator 22 is shifted into the selected switching position via an external valve circuit of the wheel set control. In this switching state, the actuator 22 acts as a Maxwell element.
  • the equivalent circuit diagram of a conventional hydraulic jack 30 is shown for comparison.
  • the hydraulic bushing 30 has an equivalent rigidity that increases with frequency and a residual rigidity greater than zero.
  • the zero-point stiffness of the hydraulic bushing 30 corresponds to the static basic stiffness c 2 .
  • the equivalent rigidity of the device 20 according to the invention i.e. the parallel arrangement of the actuator 22 and damping device 24, is selected in this exemplary embodiment in such a way that it is equivalent in comparison to the equivalent rigidity of the hydraulic bushing 30, with the exception of the rigidity at the zero point, which is device is equal to zero.
  • the damping effect is still provided by the parallel axle damper 24 . Due to its equivalent rigidity, sufficient rigidity or damping is provided, especially at high travel speeds, so that sinusoidal running of the wheelset is avoided.
  • the second mode of operation of the actuator 22 is in the figure 9 shown.
  • the actuator can be actively adjusted and thus the positioning of the coupled wheel axle 12 can be changed in a targeted manner. This is also done via the external valve wiring of the wheel set control.
  • the actuator 22 can have an axle body which is firmly connected to the chassis frame 18 and in which a hydraulic synchronous cylinder is formed, which adjusts the wheel axle 12 when actuated, as is the case, for example, in FIG DE 10 2017 002 926 A1 is described.
  • the actuator 22 is hydraulically blocked (see figure 8 ).
  • This operating state can be assumed, for example, while traction is in effect or while holding a position that has been moved to.
  • the external valve wiring is preferably controlled and/or regulated automatically on the basis of sensor data.
  • straight-ahead driving or cornering is automatically recognized and the valve wiring is controlled and/or regulated accordingly.
  • the damping function of the damping device 24 can be integrated directly in the actuator 22 . Due to the limited space in the actuator 22, however, the separate arrangement is preferred and the damping device 24 in the figures 2 , 4 and 6-9 drawn in each case outside of the actuator 22 .

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Fahrwerk eines Schienenfahrzeugs mit einer Radachse und einer Vorrichtung zum Steuern der Radachse, wobei die Vorrichtung einen fluidischen Aktuator umfasst, welcher die Radachse mit dem Fahrwerk koppelt und mittels welchem der Lenkwinkel der Radachse verstellbar ist. Das Fahrwerk umfasst erfindungsgemäß eine Dämpfungseinrichtung, welche eine frequenzabhängige dynamische Steifigkeit aber keine statische Steifigkeit aufweist und die Radachse parallel zum Aktuator mit dem Fahrwerk koppelt. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum Steuern einer Radachse eines erfindungsgemäßen Fahrwerks sowie ein Schienenfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Fahrwerk.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft Fahrwerk eines Schienenfahrzeugs nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zum Steuern einer Radachse eines solchen Fahrwerks nach dem Oberbegriff des Anspruchs 14.
  • Bei Schienenfahrzeugen kommt es durch die profilierte Form der Räder bei der Fahrt im Allgemeinen zu einem Sinuslauf des Radsatzes des Fahrwerks. Werden die Radachsen nicht steif genug am Fahrwerkrahmen angebunden, kommt es bei hohen Reisegeschwindigkeiten zu einem instabilen Lauf des Radsatzes.
  • Aus der DE 10 2017 002 926 A1 ist eine hydraulische Aktuatoreinheit für eine aktive Rad- bzw. Radsatzsteuerung für ein Fahrwerk eines Schienenfahrzeugs bekannt. Diese Aktuatoreinheit zeichnet sich primär durch ihre zylindrische Grundform aus, womit ein konventionelles Achslenklager mit dem beschriebenen Aktuator unmittelbar substituiert werden kann. Ferner zeichnet sich der Aktuator dadurch aus, dass dieser keine statische Grundsteifigkeit aufweist. Es muss daher keine Energie und keine Kraft aufgewendet werden, um den Aktuator zu betätigen. Nachteilig wirkt sich eine nicht vorhandene Grundsteifigkeit aber in jenem Fehlerfall aus, bei dem es durch Leckage zum kompletten Ölverlust kommt. In diesem Fall sind die Radachsen des Schienenfahrzeugs nicht mehr steif genug am Fahrwerk angebunden, sodass es zu einem instabilen Lauf des Radsatzes kommen kann.
  • Ferner sind Elastiklager oder Hydrobuchsen zur gedämpften Kopplung der Radachsen mit dem Fahrwerk bekannt. Diese sind jedoch als solche nicht aktiv verstellbar und weisen zudem eine statische Grundsteifigkeit auf, sodass selbst bei einem Ölverlust einer Hydrobuchse noch eine gewisse Reststeifigkeit gegeben und daher die Sicherheitsfunktion gewahrt ist.
  • Insgesamt ist somit festzustellen, dass aktive Radsatzsteuerungssysteme in bestimmten Fehlerfällen keine ausreichende Fahrsicherheit bieten, insbesondere bei höheren Fahrgeschwindigkeiten.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine aktive Rad- bzw. Radsatzsteuerung bereitzustellen, die die vorgenannten Nachteile überwindet.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Fahrwerk mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
  • Demnach wird einerseits ein Fahrwerk eines Schienenfahrzeugs mit einer Radachse und einer Vorrichtung zum Steuern der Radachse vorgeschlagen, wobei die Vorrichtung einen fluidischen Aktuator umfasst, welcher die Radachse mit dem Fahrwerk koppelt und mittels welchem der Lenkwinkel der Radachse verstellbar ist. Die Radachse kann Teil eines Radsatzes des Fahrwerks sein oder den Radsatz selbst darstellen.
  • Erfindungsgemäß umfasst das Fahrwerk eine Dämpfungseinrichtung, welche die Radachse parallel zum Aktuator mit dem Fahrwerk koppelt. Der Begriff "parallel" ist dabei nicht in geometrischer, sondern in wirkungstechnischer Hinsicht zu verstehen. Die erfindungsgemäße Dämpfungseinrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass sie eine frequenzabhängige dynamische bzw. äquivalente Steifigkeit, jedoch keine statische Steifigkeit aufweist. Mit anderen Worten weist die Dämpfungseinrichtung eine Steifigkeit auf, die von der Anregungs- bzw. Schwingungsfrequenz abhängt (insbesondere steigt die Steifigkeit mit der Anregungsfrequenz), während im statischen Fall keine Grundsteifigkeit vorhanden ist, sodass in diesem Fall keinerlei Kraft aufgewendet werden muss. Dies bedeutet, dass der Aktuator zum Verstellen des Lenkwinkels der Radachse nicht gegen eine statische Grundsteifigkeit der Dämpfungseinrichtung, sondern nur gegen deren dynamische Steifigkeit arbeiten muss, was einen wesentlich geringeren Energieaufwand für die Positionierung der Radachse bedingt.
  • Die erfindungsgemäße parallele Anordnung von Aktuator und Dämpfungseinrichtung erlaubt den Einsatz von aktiven Radsatzsteuerungen auch für hohe Geschwindigkeiten, da diese die Fahrsicherheit auch im Fehlerfall sicher gewährleistet. Dabei kann ein aus dem Stand der Technik, beispielsweise aus der DE 10 2017 002 926 A1 , bekannter Aktuator zum Einsatz kommen, ohne das Radsatzsteuerungssystem über eine aufwändige Umkonstruktion ausfallsicher gestalten zu müssen.
  • Bei dem Aktuator kann es sich um einen pneumatischen oder hydraulischen Aktuator handeln, wobei letztere Ausführungsform bevorzugt ist.
  • Das Merkmal, dass die äquivalente Steifigkeit der Dämpfungseinrichtung frequenzabhängig ist, ist breit auszulegen und nicht auf eine bestimmte Form der Abhängigkeit beschränkt. Im einfachsten Fall kann dies einfach bedeuten, dass die Steifigkeit bei einer Anregungsfrequenz von Null (statischer Fall) ebenfalls Null ist (verschwindende Grundsteifigkeit), während die Steifigkeit bei Frequenzen oberhalb von Null einen nichtverschwindenden Wert einnimmt. Dieser kann beispielsweise ein konstanter Wert sein. Ebenfalls ist ein linearer oder ein nichtlinearer Verlauf der Steifigkeit in Abhängigkeit der Anregungsfrequenz denkbar. Bevorzugt steigt die äquivalente Steifigkeit jedoch mit der Anregungsfrequenz an, insbesondere linear, um gerade bei hohen Fahrgeschwindigkeiten, die mit höheren Anregungsfrequenzen einhergehen, eine ausreichende Steifigkeit bereitzustellen.
  • In einer möglichen Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Aktuator einen ersten Betriebsmodus aufweist, in welchem er als passives Dämpfungselement mit einer frequenzabhängigen dynamischen Steifigkeit fungiert, wobei der Aktuator insbesondere keine statische Steifigkeit aufweist. Im ersten Betriebsmodus dient der Aktuator lediglich der passiven Dämpfung der Radachse, wobei die Dämpfungswirkung parallel zur Dämpfungseinrichtung bereitgestellt wird. Die Steifigkeiten des Aktuators und der Dämpfungseinrichtung addieren sich dabei vorteilhafterweise.
  • In einem zweiten Betriebsmodus fungiert der Aktuator als Stellantrieb, mittels welchem der Lenkwinkel der Radachse aktiv verstellbar ist.
  • Optional kann der Aktuator einen dritten Betriebsmodus aufweisen, in welchem er fixiert, insbesondere fluidisch blockiert, ist. Dieser kann beispielsweise während einer wirkenden Traktion des Schienenfahrzeugs oder während dem Halten einer angefahrenen Position zum Einsatz kommen. Im dritten Betriebsmodus ist der Aktuator somit insbesondere nicht verstellbar und/oder weist keine primär dämpfende Funktion auf.
  • In einer weiteren möglichen Ausführungsform ist vorgesehen, dass die verschiedenen Betriebsmodi des Aktuators mittels eines Steuerventils wählbar bzw. aktivierbar sind. Zwischen den Betriebsmodi kann also mittels des Steuerventils umgeschaltet werden. Bei dem Steuerventil kann es sich um ein hydraulisches Ventil, beispielsweise ein Wegeventil, oder um eine Ventilanordnung handeln.
  • Vorzugsweise ist das Steuerventil mittels einer Steuerungseinheit schaltbar. Die Steuerungseinheit kann hierfür vorzugsweise Signale von einem oder mehreren Sensoren empfangen und anhand dieser Signale das Steuerventil in eine bestimmte Schaltstellung schalten, die einem bestimmten Betriebsmodus des Aktuators entspricht.
  • Das Steuerventil kann dabei fluidische Ein- und Ausgänge des Aktuators, die insbesondere mit entsprechenden fluidischen Kammern des Aktuators verbunden sind, mit einer Fluidquelle verbinden, d.h. das Steuerventil ist zwischen die Fluidquelle und den Aktuator geschaltet. Die Fluidquelle kann einen Hydraulikmotor und eine oder mehrere Hydraulikpumpen umfassen. Im Falle eines pneumatischen Aktuators kann die Fluidquelle einen oder mehrere Hochdruckspeicher umfassen.
  • Im zweiten Betriebsmodus ist die Fluidquelle vorzugsweise mit den fluidischen Ein- und Ausgängen des Aktuators verbunden, sodass über eine entsprechende Druckbeaufschlagung eine gewünschte Verstellung bzw. Positionierung des Aktuators erfolgen kann.
  • Im ersten Betriebsmodus können die fluidischen Ein- und Ausgänge des Aktuators von der Fluidquelle getrennt und/oder über eine Drosselvorrichtung miteinander verbunden sein. Die Drosselvorrichtung kann für eine entsprechende Dämpfungswirkung des Aktuators im ersten Betriebsmodus sorgen, ähnlich einem hydraulischen Schwingungsdämpfer bzw. Stoßdämpfer.
  • In einem optionalen dritten Betriebsmodus können die fluidischen Ein- und Ausgänge des Aktuators von der Fluidquelle und voneinander getrennt sein.
  • In einer weiteren möglichen Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Steuerungseinheit eingerichtet ist, das Steuerventil bei einer Geradeausfahrt des Schienenfahrzeugs in eine mit dem ersten Betriebsmodus korrespondierende Schaltstellung zu schalten. Alternativ oder zusätzlich kann die Steuerungseinheit eingerichtet sein, das Steuerventil bei einer Kurvenfahrt des Schienenfahrzeugs in eine mit dem zweiten Betriebsmodus korrespondierende Schaltstellung zu schalten. Alternativ oder zusätzlich kann die Steuerungseinheit eingerichtet sein, das Steuerventil bei Erkennung eines definierten Zustands, bei dem es sich beispielsweise um eine Traktionsfahrt oder eine bestimmte Position des Schienenfahrzeugs aber auch um eine manuelle Eingabe beispielsweise des Fahrers bzw. Bedieners des Schienenfahrzeugs handeln kann, in eine mit dem dritten Betriebsmodus korrespondierende Schaltstellung zu schalten.
  • Die Steuereinheit ist vorzugsweise ferner eingerichtet, anhand von Signalen mindestens eines Sensors automatisch eine Geradeausfahrt oder eine Kurvenfahrt (oder den genannten definierten Zustand für den dritten Betriebsmodus) zu erkennen und das Steuerventil entsprechend zu schalten und/oder zu regeln.
  • Generell können für die Steuerung und/oder Regelung des Steuerventils bzw. des Aktuators (also zum einen für die Auswahl des jeweiligen Betriebsmodus aber ggf. auch für die Steuerung der Radachse im zweiten Betriebsmodus, d.h. für die gezielte Ansteuerung des Aktuators zur Positionierung der Radachse) Signale von Weggebern, Winkelsensoren, Drucksensoren, Geschwindigkeitssensoren, Beschleunigungssensoren oder dergleichen herangezogen werden. Beispielsweise kann eine Fahrgeschwindigkeit bzw. Querbeschleunigung gemessen werden. Ebenfalls ist es denkbar, eine Traktionskraft über die Messung einer Längsbewegung zwischen dem Fahrwerk und einem drehbar mit dem Fahrwerk verbundenen Wagenkasten bzw. Wagen zu bestimmen. Eine Aktuatorkraft kann mittels einer Druckmessung im Aktuator erfasst werden. Ebenfalls ist es denkbar, über einen integrierten Drucksensor eine Druckmessung in der Dämpfungseinrichtung durchzuführen, welche der Steuerungseinheit zur Verfügung gestellt wird. Diese könnte ggf. mit einer entsprechenden Druckmessung im Aktuator kombiniert werden.
  • In einer weiteren möglichen Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Dämpfungseinrichtung mindestens ein passives Dämpfungselement umfasst. Dieses Dämpfungselement stellt vorzugsweise einen Maxwell-Körper bzw. ein Maxwellelement (d.h. eine Reihenschaltung einer hookschen Feder und eines Dämpfers in der rheologischen Modellierung) dar. Vorzugsweise stellt die gesamte Dämpfungseinrichtung ein Maxwellelement dar.
  • Die Dämpfungseinrichtung kann nur ein einziges passives Dämpfungselement oder aber eine Reihenschaltung mehrerer solcher passiver Dämpfungselemente umfassen. In letzterem Fall können ein oder mehrere Dämpfungselemente bei Bedarf aktivierbar bzw. zuschaltbar sein, ggf. über die zuvor beschriebene Steuerungseinheit oder über eine separate Steuerung.
  • In einer weiteren möglichen Ausführungsform ist vorgesehen, dass ein Dämpfungselement der Dämpfungseinrichtung als fluidischer, insbesondere hydraulischer, Stoßdämpfer ausgebildet ist und vorzugsweise kein mechanisches Federelement umfasst. Ein solches Dämpfungselement weist, beispielsweise im Gegensatz zu einer konventionellen Hydrobuchse, keine statische Grundsteifigkeit auf.
  • Die Dämpfungseinrichtung als solche weist erfindungsgemäß keine statische Grundsteifigkeit auf. Allerdings ist es denkbar, die Dämpfungseinrichtung zusammen mit einer Hydrobuchse einzusetzen, beispielsweise um die Dämpfungseinrichtung am Fahrwerk und/oder an der Radachse zu lagern. In diesem Fall kann die Hydrobuchse mit einer geringeren Reststeifigkeit ausgeführt werden, was deren Leistungsfähigkeit deutlich erhöht.
  • In einer weiteren möglichen Ausführungsform ist vorgesehen, dass ein Dämpfungselement der Dämpfungseinrichtung permanent parallel zum Aktuator geschaltet ist, d.h. dessen Dämpfungswirkung bzw. Steifigkeit wirkt permanent auf die Radachse parallel zum Aktuator. Bei einem Fehlerfall des Aktuators, beispielsweise einer Leckage, kann dann das Dämpfungselement noch eine ausreichende Steifigkeit für die Lagerung der Radachse zur Verfügung stellen. Nur in dem äußerst unwahrscheinlichen Fall eines Fehlers bzw. einer Leckage im Aktuator und im parallelen Dämpfungselement (Doppelfehler) käme es zu einem Totalausfall, was allerdings ein akzeptables Restrisiko darstellt.
  • Alternativ oder zusätzlich kann ein Dämpfungselement der Dämpfungseinrichtung bei Bedarf zuschaltbar sein. Dies kann sich z.B. aus einem gewünschten Dämpfungsverhalten bei bestimmten Bedingungen, beispielsweise einer bestimmten Fahrtgeschwindigkeit, ergeben. Vorzugsweise kann das Dämpfungselement jedoch bei Erkennung einer Fehlfunktion des Aktuators zugeschaltet werden. Eine solche Fehlfunktion liegt insbesondere bei einer Leckage des Aktuators vor, welche vorzugsweise über eine Erfassung eines Druckabfalls mittels eines im Aktuator vorgesehenen Drucksensors registrierbar ist. Bei einer solchen Leckage kann der Aktuator allein keine ausreichende Steifigkeit zur Lagerung der Radachse zur Verfügung stellen, was insbesondere bei hohen Fahrtgeschwindigkeiten zu einem instabilen Radlauf führen kann. In diesem Fall kann das zugeschaltete Dämpfungselement "übernehmen" und eine ausreichende Steifigkeit bereitstellen.
  • In einer weiteren möglichen Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Aktuator einen Drucksensor umfasst, mittels welchem ein Druckabfall im Aktuator erfassbar ist, wobei das zuschaltbare Dämpfungselement vorzugsweise fluidisch (insbesondere hydraulisch) derart mit dem Aktuator gekoppelt ist, dass es bei einem Druckabfall automatisch "aktiviert" bzw. zugeschaltet wird.
  • In einer weiteren möglichen Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Dämpfungseinrichtung die Radachse parallel zum Aktuator mit dem Fahrwerk derart koppelt, dass sich die Steifigkeiten des Aktuators und der Dämpfungseinrichtung addieren, wobei vorzugsweise das System aus Aktuator und Dämpfungseinrichtung keine statische Steifigkeit bzw. Grundsteifigkeit aufweist. Die Kombination aus Aktuator und Dämpfungseinrichtung kann beispielsweise eine dynamische Steifigkeit aufweisen, die derjenigen einer konventionellen Hydrobuchse entspricht (bis auf die Reststeifigkeit, die bei einer Hydrobuchse größer Null und bei der erfindungsgemäßen Vorrichtungen gleich Null ist).
  • In einer weiteren möglichen Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Radachse drehbar an einer Radaufhängung gelagert ist, wobei sowohl der Aktuator als auch die Dämpfungseinrichtung mit der Radaufhängung gekoppelt sind. Vorzugsweise ist der Aktuator mit einem Schwingarm der Radaufhängung verbunden. Alternativ oder zusätzlich kann die Dämpfungseinrichtung mit einem Achslagerdeckel der Radaufhängung verbunden sein. Ebenfalls ist denkbar, dass Aktuator und Dämpfungseinrichtung an einem gemeinsamen Schwingarm befestigt sind.
  • Bevorzugt erfolgt eine Anbindung der Dämpfungseinrichtung über den genannten Achslagerdeckel, welcher wiederum am Schwingarm angebunden ist. Die Anbindung der Dämpfungseinrichtung über den Achslagerdeckel erleichtert die Nachrüstung bestehender Fahrwerke. Insbesondere kann damit im Zuge einer Nachrüstung die Anpassung des gesamten Schwingarms bzw. der Radaufhängung umgangen werden.
  • In einer weiteren möglichen Ausführungsform ist vorgesehen, dass sich eine entlang der Dämpfungsrichtung verlaufende Längsachse der Dämpfungseinrichtung mit der Drehachse (d.h. der mittig entlang der Radachse verlaufenden Längsachse) der Radachse schneidet. Durch eine solche Konstruktion wird kein zusätzliches Moment über die Dämpfungseinrichtung aufgebracht. Insbesondere bei der zuvor beschriebenen Anbindung der Dämpfungseinrichtung über den Achslagerdeckel wird kein zusätzliches Moment auf den Schwingarm aufgebracht.
  • In einer weiteren möglichen Ausführungsform ist vorgesehen, dass mindestens ein Weggeber bzw. Positionssensor in den Aktuator und/oder in die Dämpfungseinrichtung integriert ist, mittels welchem vorzugsweise eine Ausschublänge des Aktuators und/oder eine Ausschublänge der Dämpfungseinrichtung und/oder eine Position (z.B. eine Winkelstellung) der Radachse bestimmbar und insbesondere einer Steuerungseinheit zur Steuerung und/oder Regelung der Radachsenposition zur Verfügung stellbar ist. Eine Integration des Weggebers für die aktive Radsatzsteuerung in die Dämpfungseinrichtung ermöglicht es, den Sensor vor den Umgebungsbedingungen in der Nähe des Radsatzes zu schützen. Zudem ist der Weggeber im Falle eines Ausfalls des Sensors deutlich einfacher zu wechseln, als wenn dieser im Aktuator integriert wäre. Dies reduziert die Unterhaltskosten und erhöht die Zuverlässigkeit.
  • In einer weiteren möglichen Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Aktuator einen am Fahrwerk befestigten Achskörper, einen fluidischen Gleichlaufzylinder und ein in Entsprechung mit einer Bewegung des Gleichlaufzylinders in Bezug auf den Achskörper bewegbares, mit der Radachse gekoppeltes Gehäuse umfasst. Vorzugsweise ist der Gleichlaufzylinder im Achskörper ausgebildet bzw. in diesen integriert und umfasst einen Kolben, der an jeder seiner beiden flächigen Seiten eine den Achskörper durchstoßende Kolbenstange aufweist. Jeder der den Achskörper durchdringenden Kolbenstangen ist insbesondere an ihrem der Kolbenfläche abgewandten Ende über ein Kolbenfederelement mit dem Gehäuse verbunden.
  • Mit einem solchen Aktuator ist es demnach möglich, durch das Verstellen des Gleichlaufzylinders, bzw. das Verfahren der Kolbenstangen eine Bewegung des Gehäuses hervorzurufen, die wiederum dazu genutzt wird, eine Schwenkbewegung der mit dem Aktuator gekoppelten Radachse hervorzurufen. Dabei ist der Achskörper in der Regel ortsfest an dem Fahrwerk befestigt, sodass eine Relativbewegung des Gehäuses gegenüber dem Achskörper für einen Hub zum Auslenken der Radachse nutzbar ist.
  • Vorzugsweise entspricht der Aktuator dem in der DE 10 2017 002 926 A1 offenbarten Aktuator, wobei jede der darin beschriebenen Ausführungsformen für den Aktuator der vorliegenden Erfindung in Frage kommt. Die Lehre der DE 10 2017 002 926 A1 wird in Bezug auf die mögliche Ausgestaltung des Aktuators vollständig in die vorliegende Offenbarung einbezogen.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zum Steuern einer Radachse eines erfindungsgemäßen Fahrwerks. Die Vorrichtung umfasst einen erfindungsgemäßen fluidischen Aktuator sowie eine erfindungsgemäße Dämpfungseinrichtung, welche nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel ausgebildet sein können. Der Aktuator ist dabei einerseits mit der Radachse und andererseits mit dem Fahrwerk koppelbar. Die Dämpfungseinrichtung ist parallel zum Aktuator einerseits mit der Radachse und andererseits mit dem Fahrwerk koppelbar. Dabei ergeben sich offensichtlich dieselben Vorteile und Eigenschaften wie für das erfindungsgemäße Fahrwerk, weshalb auf eine wiederholende Beschreibung verzichtet wird.
  • Die Dämpfungseinrichtung kann ein vom Aktuator separates Bauteil darstellen. Es ist jedoch ebenfalls denkbar, dass die Dämpfungseinrichtung in den Aktuator integriert ist bzw. dass Dämpfungseinrichtung und Aktuator in ein gemeinsames Gehäuse integriert sind. Dies bezieht sich nicht nur auf die erfindungsgemäße Vorrichtung, sondern generell auf das erfindungsgemäße Fahrwerk. Dadurch ergibt sich eine noch einfachere Montage bzw. Demontage, beispielsweise zum Zwecke einer einfachen Nachrüstung bestehender Fahrwerke von Schienenfahrzeugen.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Schienenfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Fahrwerk. Auch hierbei ergeben sich offensichtlich dieselben Vorteile und Eigenschaften wie für das erfindungsgemäße Fahrwerk, weshalb auf eine wiederholende Beschreibung verzichtet wird
  • Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgend anhand der Figuren erläuterten Ausführungsbeispielen. Es zeigen:
    • Figur 1:
    eine schematische Draufsicht auf das erfindungsgemäße Fahrwerk gemäß einem Ausführungsbeispiel;
    Figur 2:
    ein rheologisches Ersatzschaltbild eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit dem Aktuator im ersten Betriebsmodus (links) und eine schematische Darstellung der entsprechenden dynamischen Steifigkeiten (rechts);
    Figur 3:
    ein rheologisches Ersatzschaltbild einer konventionellen Hydrobuchse (links) und eine schematische Darstellung ihrer dynamischen Steifigkeit (rechts);
    Figur 4:
    die Darstellungen gemäß Figur 2 im Falle einer Leckage des Aktuators;
    Figur 5:
    die Darstellungen gemäß Figur 3 im Falle einer Leckage der Hydrobuchse;
    Figur 6:
    die Darstellungen gemäß Figur 2 im Falle einer Leckage der Dämpfungseinrichtung;
    Figur 7:
    die Darstellungen gemäß Figur 2 im Falle einer gleichzeitigen Leckage von Aktuator und Dämpfungseinrichtung;
    Figur 8:
    das rheologische Ersatzschaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß Figur 2 mit dem Aktuator im dritten Betriebsmodus; und
    Figur 9:
    das rheologische Ersatzschaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß Figur 2 mit dem Aktuator im zweiten Betriebsmodus.
  • In der Figur 1 ist eine schematische Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Fahrwerks 10 dargestellt. Die Abbildung zeigt einen Teil eines Wagenkastens bzw. Wagens 1 des Schienenfahrzeugs während einer Kurvenfahrt (die Gleise sind als gekrümmte Linien dargestellt). Der gezeigte Teil des Wagens 1 umfasst ein Fahrwerk 10 mit zwei lenkbaren Radachsen 12, welche gemeinsam einen Radsatz des Fahrwerks 10 bilden. Jede Radachse 12 umfasst zwei über eine Achse starr bzw. drehfest miteinander verbundene Räder, die auf den Gleisen aufsitzen. Die Lenkung bzw. Steuerung der Radachsen 12 bzw. des Radsatzes erfolgt über eine aktive Radsatzsteuerung, welche im Folgenden näher beschrieben wird.
  • In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ist jede Radachse 12 einseitig über einen Aktuator 22 verstellbar, wobei die Radachsen 12 auf unterschiedlichen Seiten mit den Aktuatoren 22 gekoppelt sind. Alternativ könnten die Radachsen 12 auf jeder Seite mit einem Aktuator 22 gekoppelt sein. Primäres Ziel der aktiven Radsatzsteuerung ist es, die Aktuatoren 22 mit Druck zu beaufschlagen, sodass eine Drehung der Radachsen 12 um deren Hochachsen ausgeführt wird.
  • Bei den Aktuatoren 22 handelt es sich in diesem Ausführungsbeispiel um hydraulische Aktuatoren. Vorzugsweise handelt es sich dabei um Aktuatoren, welche in der DE 10 2017 002 926 A1 beschrieben sind. Selbstverständlich können aber auch andere Aktuatoren 22 für die aktive Radsatzsteuerung zum Einsatz kommen.
  • Die Aktuatoren 22 sind einerseits an einem Fahrwerkrahmen 18 des Fahrwerks 10 befestigt, welcher in der Figur 1 lediglich schematisch mit einem Strich gekennzeichnet ist. Die beweglichen Teile der Aktuatoren 22 sind jeweils mit einem Schwingarm 14 einer Radaufhängung der zugeordneten Radachse 12 gekoppelt. Durch Betätigung des Aktuators 22, der den entsprechenden Schwingarm 14 mit dem Fahrwerkrahmen 18 koppelt, wird somit die jeweilige Radachse 12 verschwenkt.
  • Auf der dem Aktuator 22 gegenüberliegenden Seite ist jede Radachse 12 über einen weiteren Schwingarm 14 und ein Lager 19 ebenfalls mit dem Fahrwerkrahmen 18 verbunden. Bei dem Lager 19 kann es sich beispielsweise um ein mechanisches Lager oder um eine Hydrobuchse handeln.
  • Erfindungsgemäß ist parallel zu jedem Aktuator 22 eine Dämpfungseinrichtung 24 bzw. ein Achsdämpfer 24 (diese beiden Begriffe werden im Folgenden synonym verwendet) vorgesehen, welche den Schwingarm 14 ebenfalls mit dem Fahrwerkrahmen 18 koppelt. Jede Radachse 12 ist also über eine Vorrichtung 20 umfassend einen Aktuator 22 und eine Dämpfungseinrichtung 24 am Fahrwerk 10 gelagert und aktiv verstellbar. Gleichzeitig dient die Vorrichtung 20 der Dämpfung der jeweiligen Radachse 12, um einen gleichmäßigen Lauf sicherzustellen.
  • Alternativ zu dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel könnten auch zwei Radachsen über einen gemeinsamen Aktuator 22 gekoppelt sein, wobei der Aktuator zusätzlich am Fahrwerk 10 befestigt sein kann. In diesem Fall wäre ebenfalls eine Dämpfungseinrichtung 24 parallel zum Aktuator 22 mit den beiden Radachsen gekoppelt.
  • Die erfindungsgemäße zusätzliche Dämpfungseinrichtung 24 zeichnet sich dadurch aus, dass sie keine statische Grundsteifigkeit, sondern lediglich eine frequenzabhängige, dynamische bzw. äquivalente Steifigkeit aufweist. Die Steifigkeit steigt dabei mit der Anregungsfrequenz an. Im Gegensatz zu einem Dämpfer mit statischer Reststeifigkeit, wie dies beispielsweise bei konventionellen Hydrobuchsen der Fall ist, muss der Aktuator 22 somit nicht gegen die statische Reststeifigkeit der Dämpfungseinrichtung 24 arbeiten, sodass für die Verstellung der Radachse 12 ein geringerer Kraftaufwand erforderlich ist.
  • Die Dämpfungseinrichtung 24 ist ebenfalls am Fahrwerkrahmen 18 befestigt und mit der Radachse 12 über einen Achslagerdeckel 16, welcher wiederum am Schwingarm 14 angebunden ist, gekoppelt. Dabei schneidet die Längsachse der Dämpfungseinrichtung 24 die Radachse 12, sodass über die Dämpfungseinrichtung 24 kein zusätzliches Moment auf den Schwingarm 14 aufgebracht wird.
  • Die Anbindung der Dämpfungseinrichtung 24 über den Achslagerdeckel 16 erleichtert die Nachrüstung bestehender Fahrwerke 10. Damit kann im Zuge einer Nachrüstung die Anpassung des gesamten Schwingarms 14 umgangen werden. Eine Anbindung der Dämpfungseinrichtung 24 am Schwingarm 14 ohne Schneiden der Achsen der Radachse 12 und der Dämpfungseinrichtung 24 ist jedoch ebenfalls möglich.
  • Falls für die Radsatzsteuerung eine Positionserkennung am Aktuator 22 erforderlich ist, kann eine entsprechende Sensorik, beispielsweise in Form von technisch etablierten Lösungen, in der parallel angeordneten Dämpfungseinrichtung 24 integriert sein. Dies ermöglicht es, den Weggeber bzw. Positionssensor vor den Umgebungsbedingungen in der Nähe des Radsatzes zu schützen und erleichtert zudem den Austausch des Sensors.
  • Die Dämpfungsrichtung 24 kann ein einzelnes Dämpfungselement umfassen oder eine Kombination verschiedener Dämpfungselemente. Diese können entweder alle permanent parallel zum Aktuator 22 zugeschaltet sein, oder es könnten ein oder mehrere Dämpfungselemente im Fehlerfall des Aktuators 22 (insbesondere bei einer Fluidleckage) aktivierbar bzw. zuschaltbar sein.
  • Die Figur 2 zeigt in der linken Abbildung ein rheologisches Ersatzschaltbild eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung 20 umfassend den Aktuator 22 und die Dämpfungseinrichtung 24 sowie in der rechten Abbildung eine schematische Darstellung der entsprechenden äquivalenten Steifigkeit ceq des Aktuators 22 (obere gestrichelte Linie), der Dämpfungseinrichtung 24 (untere gestrichelte Linie) und deren Kombination (durchgezogene Linie) als Funktion der Anregungsfrequenz f.
  • Der Aktuator 22 weist in diesem Ausführungsbeispiel drei Betriebsmodi auf: in einem ersten Betriebsmodus, welcher in der Figur 2 gezeigt ist, stellt der Aktuator 22 ein passives Dämpfungselement mit einer frequenzabhängigen äquivalenten Steifigkeit und einer Reststeifigkeit von Null dar. Dieser erste Betriebszustand bzw. Betriebsmodus wird vorzugsweise bei einer Geradeausfahrt des Schienenfahrzeugs eingenommen. Der Aktuator 22 wird hierfür über eine äußere Ventilbeschaltung der Radsatzsteuerung in die gewählte Schaltstellung versetzt. In diesem Schaltzustand wirkt der Aktuator 22 als Maxwellelement.
  • In der Figur 3 ist das Ersatzschaltbild einer konventionellen Hydrobuchse 30 zum Vergleich dargestellt. Wie in der rechten Abbildung der Figur 3 zu erkennen ist, weist die Hydrobuchse 30 eine mit der Frequenz ansteigende äquivalente Steifigkeit sowie eine Reststeifigkeit größer Null auf. Die Nullpunktsteifigkeit der Hydrobuchse 30 entspricht der statischen Grundsteifigkeit c2.
  • Die äquivalente Steifigkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung 20, d.h. der parallelen Anordnung von Aktuator 22 und Dämpfungseinrichtung 24, ist in diesem Ausführungsbeispiel so gewählt, dass sie gleichwertig im Vergleich zur äquivalenten Steifigkeit der Hydrobuchse 30 ist, mit Ausnahme der Steifigkeit im Nullpunkt, welche bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung gleich Null ist.
  • Kommt es bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung 20 zu einer Ölleckage im Aktuator 22, so wird die Dämpfungswirkung immer noch vom parallelen Achsdämpfer 24 bereitgestellt. Durch dessen äquivalente Steifigkeit wird insbesondere bei hohen Fahrtgeschwindigkeiten eine ausreichende Steifigkeit bzw. Dämpfung bereitgestellt, sodass ein Sinuslauf des Radsatzes vermieden wird.
  • Dieser Fehlerfall ist in dem Ersatzschaltbild der Figur 4 dargestellt. Dabei zeigt sich in den äquivalenten Steifigkeitsverläufen (rechte Abbildung), dass bei der Hydrobuchse 30 die statische Steifigkeit c2 und im Falle einer Leckage am Aktuator 22 die äquivalente Steifigkeit des Achsdämpfers 24 verbleibt. Im Falle einer Leckage am Aktuator 22 wird somit einem instabilen Radsatz durch die äquivalente Steifigkeit des Achsdämpfers 24 entgegengewirkt. Da der instabile Lauf nur bei hohen Geschwindigkeiten, d.h. bei hohen Anregungsfrequenzen erfolgen kann, ist eine (äquivalente) Steifigkeit auch nur bei höheren Frequenzen erforderlich. Eine Hydrobuchse 30 hingegen nutzt konstruktionsbedingt deren statische Grundsteifigkeit c2 im Fall der Leckage, um einem instabil werdenden Radsatz entgegenzuwirken.
  • Durch die erfindungsgemäße parallele Anordnung von Aktuator 22 und Achsdämpfer 24 verfügt das Radsatzsteuerungssystem über die folgenden Zustände im Fehlerfall der Leckage:
    1. i) Leckage im Aktuator 22 (siehe Figur 2): Der Lastpfad über den Aktuator 22 entfällt. Der Achsdämpfer 24 erzeugt durch die äußere Anregung des Radsatzes eine äquivalente Steifigkeit, womit ein stabiler Lauf sichergestellt wird. Der Wert dieser äquivalenten Steifigkeit muss für die relevanten Geschwindigkeitsbereiche mindestens dem Wert der statischen Steifigkeit einer Hydrobuchse entsprechen. Damit ist eine vergleichbare Situation zur heute etablierten Hydrobuchse hergestellt.
    2. ii) Leckage in der Dämpfungseinrichtung 24 (siehe Figur 6): Der Lastpfad über den Achsdämpfer 24 entfällt. Bei einer Geradeausfahrt des Schienenfahrzeugs übernimmt der Aktuator 22 den Kraftfluss und stabilisiert den Radsatz.
    3. iii) Gleichzeitige Leckage von Aktuator 22 und Dämpfungseinrichtung 24 (siehe Figur 7): Dieser Fall setzt einen Doppelfehler von zwei voneinander unabhängigen Geräten bzw. Bauteilen voraus. Das damit verbundene Restrisiko ist heute vielfach akzeptiert, als Beispiel dazu sei die doppelte Ausführung von Schlingerdämpfern auf Hochgeschwindigkeitszügen genannt.
  • Die Realisierung einer aktiven Radsatzsteuerung über die parallele Anordnung eines Aktuators 22 und einer Dämpfungseinrichtung 24 hat den Vorteil, dass der Aktuator 22 lediglich gegen die Dämpfungseinrichtung 24 während der Positionierung der Radachse 12 arbeiten muss. Im Gegensatz dazu müsste der Aktuator bei Verwendung einer Hydrobuchse 30 sowohl die Dämpfung als auch die Grundsteifigkeit c2 der Hydrobuchse 30 bei der Positionierung überwinden, womit ein wesentlich größerer Energieaufwand für die Positionierung des Radsatzes aufgebracht werden muss.
  • Der zweite Betriebsmodus des Aktuators 22 ist in der Figur 9 dargestellt. Hier kann der Aktuator aktiv verstellt und damit die Positionierung der gekoppelten Radachse 12 gezielt verändert werden. Dies erfolgt ebenfalls über die äußere Ventilbeschaltung der Radsatzsteuerung. Hierfür kann der Aktuator 22 einen fest mit dem Fahrwerkrahmen 18 verbundenen Achskörper aufweisen, in welchem ein hydraulischer Gleichlaufzylinder ausgebildet ist, der bei Betätigung die Radachse 12 verstellt, wie dies z.B. in der DE 10 2017 002 926 A1 beschrieben ist.
  • In einem dritten Betriebsmodus ist der Aktuator 22 hydraulisch blockiert (siehe Figur 8). Dieser Betriebszustand kann beispielsweise während wirkender Traktion oder während dem Halten einer angefahrenen Position eingenommen werden.
  • Die Steuerung und/oder Regelung der äußeren Ventilbeschaltung erfolgt vorzugsweise automatisch auf Grundlage von Sensordaten. Hierbei wird insbesondere automatisch eine Geradeausfahrt oder eine Kurvenfahrt erkannt und die Ventilbeschaltung entsprechend gesteuert und/oder geregelt.
  • Die Dämpfungsfunktion der Dämpfungseinrichtung 24 kann alternativ direkt im Aktuator 22 integriert sein. Aufgrund der eingeschränkten Bauraumverhältnisse im Aktuator 22 ist jedoch die getrennte Anordnung bevorzugt und die Dämpfungseinrichtung 24 in den Figuren 2, 4 und 6-9 jeweils außerhalb des Aktuators 22 eingezeichnet.
    • Bezugszeichenliste:
    • 1
    Wagon
    10
    Fahrwerk
    12
    Radachse
    14
    Schwingarm
    16
    Achslagerdeckel
    18
    Fahrwerkrahmen
    19
    Lagerung
    20
    Vorrichtung
    22
    Aktuator
    24
    Dämpfungseinrichtung / Achsdämpfer
    30
    Hydrobuchse

Claims (15)

  1. Fahrwerk (10) eines Schienenfahrzeugs mit einer Radachse (12) und einer Vorrichtung (20) zum Steuern der Radachse, wobei die Vorrichtung (20) einen fluidischen Aktuator (22) umfasst, welcher die Radachse (12) mit dem Fahrwerk (10) koppelt und mittels welchem der Lenkwinkel der Radachse (12) verstellbar ist,
    gekennzeichnet durch
    eine Dämpfungseinrichtung (24), welche eine frequenzabhängige dynamische Steifigkeit aber keine statische Steifigkeit aufweist und die Radachse (12) parallel zum Aktuator (22) mit dem Fahrwerk (10) koppelt.
  2. Fahrwerk (10) nach Anspruch 1, wobei der Aktuator (22) in einem ersten Betriebsmodus ein passives Dämpfungselement mit einer frequenzabhängigen dynamischen Steifigkeit aber insbesondere ohne statische Steifigkeit darstellt und in einem zweiten Betriebsmodus als Stellantrieb fungiert, mittels welchem der Lenkwinkel der Radachse (12) verstellbar ist, wobei der Aktuator (22) vorzugsweise in einem dritten Betriebsmodus fixiert, insbesondere fluidisch blockiert, ist.
  3. Fahrwerk (10) nach Anspruch 2, wobei die verschiedenen Betriebsmodi des Aktuators (22) mittels eines Steuerventils aktivierbar sind, welches insbesondere fluidische Ein- und Ausgänge des Aktuators (22) mit einer Fluidquelle verbindet, wobei das Steuerventil vorzugsweise über eine Steuerungseinheit schaltbar ist.
  4. Fahrwerk (10) nach Anspruch 3, wobei die Steuerungseinheit eingerichtet ist, das Steuerventil bei einer Geradeausfahrt des Schienenfahrzeugs in eine den ersten Betriebsmodus aktivierende Schaltstellung zu schalten und/oder das Steuerventil bei einer Kurvenfahrt des Schienenfahrzeugs in eine den zweiten Betriebsmodus aktivierenden Schaltstellung zu schalten, wobei die Steuereinheit vorzugsweise ferner eingerichtet ist, anhand von Signalen mindestens eines Sensors automatisch eine Geradeausfahrt oder eine Kurvenfahrt zu erkennen und das Steuerventil entsprechend zu schalten.
  5. Fahrwerk (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dämpfungseinrichtung (24) mindestens ein passives Dämpfungselement umfasst.
  6. Fahrwerk (10) nach Anspruch 5, wobei ein Dämpfungselement der Dämpfungseinrichtung (24) als fluidischer, insbesondere hydraulischer, Stoßdämpfer ausgebildet ist.
  7. Fahrwerk (10) nach einem der Ansprüche 5 oder 6, wobei ein Dämpfungselement der Dämpfungseinrichtung (24) permanent parallel zum Aktuator (22) geschaltet ist und/oder wobei ein Dämpfungselement der Dämpfungseinrichtung (24) bei Bedarf, insbesondere bei einer Fehlfunktion des Aktuators (22), welche vorzugsweise über eine Erfassung eines Druckabfalls mittels eines im Aktuator (22) vorgesehenen Drucksensors registrierbar ist, zuschaltbar ist.
  8. Fahrwerk (10) nach Anspruch 7, wobei der Aktuator (22) einen Drucksensor umfasst, mittels welchem ein Druckabfall im Aktuator (22) erfassbar ist, wobei das zuschaltbare Dämpfungselement vorzugsweise fluidisch derart mit dem Aktuator (22) gekoppelt ist, dass es bei einem Druckabfall automatisch zugeschaltet wird.
  9. Fahrwerk (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dämpfungseinrichtung (24) die Radachse (12) parallel zum Aktuator (22) mit dem Fahrwerk (10) derart koppelt, dass sich die Steifigkeiten des Aktuators (22) und der Dämpfungseinrichtung (24) addieren, wobei vorzugsweise das System aus Aktuator (22) und Dämpfungseinrichtung (24) keine statische Steifigkeit aufweist.
  10. Fahrwerk (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Radachse (12) drehbar an einer Radaufhängung gelagert ist, mit welcher sowohl der Aktuator (22) als auch die Dämpfungseinrichtung (24) gekoppelt sind, wobei vorzugsweise der Aktuator (22) mit einem Schwingarm (14) der Radaufhängung und/oder die Dämpfungseinrichtung (24) mit einem Achslagerdeckel (16) der Radaufhängung verbunden ist.
  11. Fahrwerk (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich eine entlang der Dämpfungsrichtung (24) verlaufende Längsachse der Dämpfungseinrichtung (24) mit der Drehachse der Radachse (12) schneidet.
  12. Fahrwerk (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens ein Weggeber in den Aktuator (22) und/oder in die Dämpfungseinrichtung (24) integriert ist, mittels welchem vorzugsweise eine Ausschublänge des Aktuators (22) und/oder eine Ausschublänge der Dämpfungseinrichtung (24) und/oder eine Position der Radachse (12) bestimmbar und insbesondere einer Steuerungseinheit zur Steuerung der Radachse (12) zur Verfügung stellbar ist.
  13. Fahrwerk (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Aktuator (22) einen am Fahrwerk (10) befestigten Achskörper, einen fluidischen Gleichlaufzylinder und ein in Entsprechung mit einer Bewegung des Gleichlaufzylinders in Bezug auf den Achskörper bewegbares, mit der Radachse gekoppeltes Gehäuse umfasst, wobei der Gleichlaufzylinder vorzugsweise im Achskörper ausgebildet ist und einen Kolben umfasst, der an jeder seiner beiden flächigen Seiten eine den Achskörper durchstoßende Kolbenstange aufweist, welche insbesondere an ihrem der Kolbenfläche abgewandten Ende über ein Kolbenfederelement mit dem Gehäuse verbunden ist.
  14. Vorrichtung (20) zum Steuern einer Radachse (12) eines Fahrwerks (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend einen fluidischen Aktuator (22), welcher einerseits mit der Radachse (12) und andererseits mit dem Fahrwerk (10) koppelbar ist und mittels welchem der Lenkwinkel der Radachse (12) verstellbar ist,
    gekennzeichnet durch
    eine Dämpfungseinrichtung (24), welche eine frequenzabhängige dynamische Steifigkeit aber keine statische Steifigkeit aufweist und welche parallel zum Aktuator (22) einerseits mit der Radachse (12) und andererseits mit dem Fahrwerk (10) koppelbar ist.
  15. Schienenfahrzeug mit einem Fahrwerk (10) einem der Ansprüche 1 bis 13.
EP23152988.4A 2022-02-10 2023-01-24 Schienenfahrzeugfahrwerk mit einer vorrichtung zum steuern einer radachse Pending EP4227188A1 (de)

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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2762377A1 (de) * 2013-01-30 2014-08-06 Bombardier Transportation GmbH Fahrwerk mit gesteuerter Radeinheit
WO2017157740A1 (de) * 2016-03-17 2017-09-21 Siemens Ag Österreich Fahrwerk für ein schienenfahrzeug
DE102017002926A1 (de) 2017-03-27 2018-09-27 Liebherr-Transportation Systems Gmbh & Co. Kg Aktuator zum Steuern eines Radsatzes eines Schienenfahrzeugs
US20210139057A1 (en) * 2019-10-31 2021-05-13 Liebherr-Transportation Systems Gmbh & Co. Kg Hydromechanical wheelset control system for a rail vehicle

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2371656A1 (de) 2010-03-29 2011-10-05 Siemens AG Österreich Schienenfahrzeug mit variabler Achsgeometrie

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2762377A1 (de) * 2013-01-30 2014-08-06 Bombardier Transportation GmbH Fahrwerk mit gesteuerter Radeinheit
WO2017157740A1 (de) * 2016-03-17 2017-09-21 Siemens Ag Österreich Fahrwerk für ein schienenfahrzeug
DE102017002926A1 (de) 2017-03-27 2018-09-27 Liebherr-Transportation Systems Gmbh & Co. Kg Aktuator zum Steuern eines Radsatzes eines Schienenfahrzeugs
US20210139057A1 (en) * 2019-10-31 2021-05-13 Liebherr-Transportation Systems Gmbh & Co. Kg Hydromechanical wheelset control system for a rail vehicle

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