EP4686636A1 - Wankstabilisator - Google Patents

Wankstabilisator

Info

Publication number
EP4686636A1
EP4686636A1 EP25188145.4A EP25188145A EP4686636A1 EP 4686636 A1 EP4686636 A1 EP 4686636A1 EP 25188145 A EP25188145 A EP 25188145A EP 4686636 A1 EP4686636 A1 EP 4686636A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
torsion bar
spring
section
rail vehicle
roll stabilizer
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
EP25188145.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Stefan Weissenböck
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.)
Siemens Mobility Austria GmbH
Original Assignee
Siemens Mobility Austria GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Mobility Austria GmbH filed Critical Siemens Mobility Austria GmbH
Publication of EP4686636A1 publication Critical patent/EP4686636A1/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
    • B61F5/02—Arrangements permitting limited transverse relative movements between vehicle underframe or bolster and bogie; Connections between underframes and bogies
    • B61F5/22—Guiding of the vehicle underframes with respect to the bogies
    • B61F5/24—Means for damping or minimising the canting, skewing, pitching, or plunging movements of the underframes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61F—RAIL VEHICLE SUSPENSIONS, e.g. UNDERFRAMES, BOGIES OR ARRANGEMENTS OF WHEEL AXLES; RAIL VEHICLES FOR USE ON TRACKS OF DIFFERENT WIDTH; PREVENTING DERAILING OF RAIL VEHICLES; WHEEL GUARDS, OBSTRUCTION REMOVERS OR THE LIKE FOR RAIL VEHICLES
    • B61F5/00—Constructional details of bogies; Connections between bogies and vehicle underframes; Arrangements or devices for adjusting or allowing self-adjustment of wheel axles or bogies when rounding curves
    • B61F5/02—Arrangements permitting limited transverse relative movements between vehicle underframe or bolster and bogie; Connections between underframes and bogies
    • B61F5/22—Guiding of the vehicle underframes with respect to the bogies

Definitions

  • the invention relates to a roll stabilizer for a rail vehicle.
  • the car body In rail vehicles, the car body is typically mounted to the wheel units, such as wheel pairs or wheelsets, or bogies, via one or more spring stages.
  • the centrifugal acceleration (or downhill force in the case of excess cant) that occurs when negotiating curves, acting transversely to the vehicle's direction of travel and thus transversely to its longitudinal axis, causes the car body, due to its relatively high center of gravity, to tilt outwards relative to the wheel units (or inwards in the case of excess cant). This results in a roll movement around a roll axis parallel to the vehicle's longitudinal axis.
  • the maximum permissible roll angle is limited.
  • roll stabilization devices in the form of so-called roll stabilizers. Their function is to counteract the rolling motion of the car body in order to reduce it, while the up-and-down movements of the car body relative to the wheel assemblies, i.e., the running gear, should not be impeded.
  • roll stabilizers are known in various hydraulically or purely mechanically acting designs.
  • a torsion bar (torsion shaft) extending transversely to the longitudinal direction of the vehicle is frequently used. for use, as they are used, for example, in the WO 2014 009142 A1 or from the DE 24 21 874 A1 This is known.
  • levers are mounted on both sides of the vehicle's longitudinal axis, fixed in a rotational direction and extending in the vehicle's longitudinal direction. These levers are in turn connected to links or pushrods, which are kinematically parallel to the vehicle's suspension components.
  • links or pushrods which are kinematically parallel to the vehicle's suspension components.
  • the torsion bar is thus subjected to a torsional moment, which it—depending on its torsional stiffness—compensates for at a specific angle of rotation by a counter-moment resulting from its elastic deformation, thereby preventing further roll.
  • the roll stabilization device can be designed for the secondary suspension stage, i.e., acting between a bogie frame and the car body. It can also be used in the primary stage, i.e., acting between the wheelsets and a bogie frame or – in the absence of secondary suspension – a car body.
  • the roll stabilizer is designed for single-wheel bogies, single-axle bogies (i.e., bogies with only one wheelset), and bogies.
  • Such a roll stabilizer improves the driving dynamics of a rail vehicle; however, its effectiveness is limited, necessitating further adjustment options.
  • the conflict between maximizing derailment safety, which benefits from a softly tuned roll stabilizer, and adhering to the loading gauge, which requires a roll stabilizer with the stiffest possible spring characteristic remains unresolved.
  • the invention is therefore based on the objective of providing a roll stabilizer for a rail vehicle which is adjustable over a wide range and which allows the roll of a car body to be optimized with regard to derailment safety and compliance with the clearance profile.
  • a roll stabilizer for a rail vehicle which is designed for arrangement between a chassis and a car body of the rail vehicle and which comprises a torsion bar arranged in an installation position transverse to the longitudinal direction of the vehicle with levers arranged at both ends in a rotationally fixed manner, a push-pull rod for each lever, wherein each lever is pivotally connected to one end of the push-pull rod and the other end of the push-pull rod is pivotally connectable to the car body, and wherein the push-pull rods or the levers or the torsion bar or a connection point between these components have a progressive spring characteristic.
  • a roll stabilizer which operates on essentially the same principle as a conventional roll stabilizer, is equipped with a progressive spring characteristic curve.
  • a softer setting can be achieved at lower lateral accelerations acting on a rail vehicle, while at higher lateral accelerations, compliance with the clearance gauge is ensured.
  • a significant advantage of the invention is particularly relevant for air-sprung vehicles, which, due to a malfunction (burst of an air spring or failure of the compressed air supply), rest on the relatively stiff emergency springs.
  • the parallel action of the emergency spring and the roll stabilizer results in a significantly increased roll stiffness overall compared to regular air spring operation. Due to their increased stiffness, the emergency springs permit only small roll angles. In the area of small roll angles, the roll stabilizer disclosed in the invention has a still soft spring characteristic, which has a favorable effect on the safety against derailment when traveling over curved track sections.
  • a roll stabilizer comprises two push-pull rods, which are pivotally connected at one end to the car body of a rail vehicle and which transmit push-pull forces to a lever each. These levers are arranged at opposite ends of a torsion bar in a rotationally fixed manner.
  • the torsion bar connecting the levers is rotatably mounted on a chassis (generally a bogie, but also a single axle).
  • a progressive spring characteristic is incorporated into this arrangement, which can be integrated either alone or in combination into the push-pull rods, the levers, the torsion bar, or a connection point between these components.
  • the push-pull rods connecting a car body to a lever are equipped with a progressive spring characteristic.
  • the push-pull rods In the unloaded state, the push-pull rods have a specific initial length, which changes under tensile or compressive forces according to the spring constant.
  • Such a push-pull rod can be advantageously manufactured by dividing it into a first and a second section and arranging a progressive spring between these sections so that it can act in both the tensile and compressive directions.
  • Coil springs are particularly suitable for this purpose, as they can be wound accordingly to achieve the desired progression.
  • the coil spring can be constructed from two individual springs, each with a progressive characteristic.
  • suitable disc springs or elastomers e.g., rubber cone springs
  • a spring design consisting of two individual springs
  • a one-piece spring with a point-symmetrical progressive spring characteristic can also be used.
  • Another preferred embodiment of the invention provides for equipping the torsion bar with a progressive spring characteristic, in this case a progressive moment-angle-of-twist characteristic.
  • a torsion bar is to be made in multiple parts, wherein in a first variant the torsion bar is divided into two sections and an elastic element is inserted between the sections.
  • This elastic element offers less resistance to twisting than the two sections, so that after the deformation path of the elastic element has been exhausted, the spring constant of the two sections acts.
  • the elastic element can be designed, for example, as an elastomer or as a metallic spring, similar to a leaf spring.
  • Another preferred embodiment provides for at least one elastic element to be introduced into a connection point between the lever and the torsion bar, in that the connection on the side of the torsion bar is designed as a splined shaft and, as a counterpart to this, on the side of the lever is designed as a splined hub, and the elastic elements are inserted between the teeth.
  • connection point can be provided between the torsion bar and one of the levers, or on both levers.
  • a torsion bar with a progressive spring characteristic also employs two sections, with a second section arranged between two first sections. This second section has a softer spring characteristic than the first two sections.
  • the softer second section twists first up to a certain angle of deformation. At this angle, stops engage and prevent further twisting of the second section. Any further deformation (twisting) with increasing torque occurs in the two first sections, which have a stiffer spring characteristic.
  • the entire spring characteristic of such a torsion bar is progressive.
  • Another preferred embodiment of the invention provides for at least one of the levers of a roll stabilizer to be designed elastically and with a progressive spring characteristic.
  • the lever is designed elastically, with this elasticity being realized by a progressive spring characteristic, for example by a leaf spring assembly.
  • the invention comprises a rail vehicle which has a roll stabilizer according to the idea presented here.
  • FIG. 1 shows an exemplary and schematic representation of a roll stabilizer with springs in the tension/compression rods.
  • a roll stabilizer 1 is depicted, which consists of a first tension/compression rod 5 and a second tension/compression rod 6, which can be pivotally connected to a car body of a rail vehicle by means of a first joint 9 and a second joint 10, respectively.
  • a car body or parts of a running gear are shown in Fig. 1
  • Both push-pull rods 5, 6 act on their respective associated levers 3, 4, which in turn are fixedly mounted on a torsion bar 2.
  • the roll stabilizer 1 is designed for attachment to a chassis, for which purpose a first bearing 7 and a second bearing 8 are provided.
  • the roll stabilizer 1 is provided with elasticity; that is, the push-pull rods can each assume different positions relative to the chassis, exerting a counterforce proportional to this difference in position. In conventional roll stabilizers, this counterforce is applied by the torsion bar 2, which rotates during the process.
  • the tension-compression rods 5, 6 are spring-loaded and exhibit a progressive spring characteristic.
  • Fig. 2 This shows an exemplary and schematic representation of a push-pull rod with a progressive spring.
  • a cross-section through a push-pull rod is shown, as in the embodiment shown in... Fig. 1
  • the push-pull rod is divided into a first section 11 and a second section 12, with the first section 11 attached to the second section 12.
  • the end facing the first section comprises a plate 14.
  • the second section 12 comprises a sleeve that receives the plate 14 and is designed as a hollow cylinder 13.
  • This arrangement is similar to a conventional pneumatic or hydraulic cylinder; however, two progressive springs 15 are arranged between the plate 14 of the first section 11 and the hollow cylinder 13 of the second section 12. This arrangement ensures that the same spring constant acts in both the tension and compression directions and that a progressive spring characteristic is present.
  • the progressive spring 15 is designed as a helical spring, since the spring characteristic can be precisely determined by the type of coiling of the spring and the material.
  • FIG. 3 shows an exemplary and schematic representation of a roll stabilizer with a spring in the torsion bar, first embodiment.
  • a further embodiment of a roll stabilizer 1 is shown, which is equivalent to the one in Figure 1.
  • Fig. 1 revealed roll stabilizer, in which the torsion bar 16 is equipped with a progressive torsion spring characteristic.
  • FIG. 4 This shows an example and schematic of a torsion bar with a progressive spring, first version. It is the progressive torsion bar 16 from Fig. 3
  • the progressive torsion bar 16 is shown in its individual components and in its assembled state. It is divided into a first section 17 and a second section 18, the opposing ends of sections 17 and 18 being shaped to transmit torque to the other section 17 and 18, i.e., they are designed for positive engagement.
  • This positive engagement includes a clearance about the longitudinal axis of sections 17 and 18, allowing the sections 17 and 18 to rotate relative to each other by a certain angle without moment.
  • An elastic element 19 is inserted into this clearance, which exerts a spring effect corresponding to the spring constant of the elastic element 19, opposing the rotation of sections 17 and 18 relative to each other.
  • FIG. 4 A single elastic element 19 is shown, but the design of sections 17 and 18 suggests the use of six elastic elements.
  • the moment-angle characteristic of a progressive torsion bar 16 initially follows the spring constant of the elastic element 19 until, after complete deformation of the elastic element 19, the common rotational spring constant of the first 17 and second sections of the progressive torsion bar 16 comes into effect.
  • Fig. 4 An assembly diagram of the progressive torsion bar just described is shown.
  • Fig. 5 This shows an exemplary and schematic representation of a roll stabilizer with a spring in the torsion bar, second version.
  • a roll stabilizer 1 is shown, which is also based on the principle of the roll stabilizers from the [reference to be added].
  • Fig. 1 and 3 The roll stabilizers shown are built upon, a progressive torsion bar 20 is used, which, however, differs from the one in Fig. 4 The embodiment is revealed. According to this embodiment, a stop is used which, at a certain rotation angle of a first section of the progressive torsion bar 20, blocks further torsion and thus any further torsion takes place in a second section of the torsion bar 20.
  • FIG. 6 This shows an example and schematic of a torsion bar with a progressive spring, second version. It is the progressive torsion bar 20 from Fig. 5 A detailed illustration shows the progressive torsion bar 20, which consists of a first section 21 with a second section 22 inserted along its length. The second section 22 has a lower torsional spring constant than the entire first section 21. Stops 23 are provided, which are rigidly connected to one of the first sections 21 and engage in corresponding recesses in the second section 21. From a certain angle of rotation of the second section 22, these stops block further rotation of the second section 22, so that further torsion of the progressive torsion bar 20 occurs only in the first section 21.
  • FIG. 7 Figure 24 shows an exemplary and schematic representation of a lever with a progressive spring. It illustrates an embodiment of the invention in which a lever 24 is equipped with a progressive spring characteristic.
  • a lever which in conventional roll stabilizers is designed to be as indeformable as possible, is, according to this embodiment, elastically designed with a progressive spring characteristic.
  • the lever 24 consists of an inner spring 25, which is designed at one end for pivotable attachment to a rod 27.
  • This rod 27 connects the lever 24 to a car body and corresponds to the tension-compression rods shown in the preceding embodiments.
  • the rod 27 has no elastic properties, i.e., no significant deformation of the rod 27 occurs under operating forces.
  • the other end of the inner spring 25 is fixedly attached to a base body of the lever 24, which in turn is rotationally fixed to a torsion bar.
  • the forces caused by the rolling movements of the car body and transmitted via the rod 27 deform the inner spring 25, resulting in a linear spring characteristic within a specific angular range of deformation.
  • An outer spring 26 is rigidly connected at one end to the base of the lever 27; it extends in a U-shape around the inner spring 25 and is spaced apart from it when the inner spring 25 is unforced.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Vehicle Body Suspensions (AREA)
  • Springs (AREA)

Abstract

Wankstabilisator (1) für ein Schienenfahrzeug, eingerichtet zur Anordnung zwischen einem Fahrwerk und einem Wagenkasten des Schienenfahrzeugs, umfassend einen in Einbaulage quer zur Fahrzeuglängsrichtung angeordneten Torsionsstab (2) mit an seinen beiden Enden drehfest angeordneten Hebeln (3, 4), je eine Zug-Druckstange (5, 6) für jeden Hebel (3, 4), wobei jeder Hebel (3,.4) gelenkig mit einem Ende der Zug-Druckstange (5, 6) verbunden ist und diese mit ihrem anderen Ende mit dem Wagenkasten gelenkig verbindbar ist, wobei die Zug-Druckstangen (5, 6) oder die Hebel (3, 4) oder der Torsionsstab (2) oder eine Verbindungsstelle zwischen diesen Bauteilen eine progressive Federkennlinie aufweisen.

Description

    Technisches Gebiet
  • Die Erfindung betrifft einen Wankstabilisator für ein Schienenfahrzeug.
    • Stand der Technik
  • Bei Schienenfahrzeugen ist der Wagenkasten in der Regel gegenüber den Radeinheiten, beispielsweise Radpaaren oder Radsätzen bzw. Fahrwerken, über eine oder mehrere Federstufen federnd gelagert. Die bei Bogenfahrt auftretende, quer zur Fahrbewegung und damit quer zur Fahrzeuglängsachse wirkende Zentrifugalbeschleunigung (oder Hangabtrieb im Falle eines Überhöhungsüberschusses) bedingt wegen des vergleichsweise hoch liegenden Schwerpunkts des Wagenkastens die Tendenz des Wagenkastens, sich gegenüber den Radeinheiten nach bogenaußen (oder nach bogeninnen im Falles eines Überhöhungsüberschusses) zu neigen, mithin also eine Wankbewegung um eine zur Fahrzeuglängsachse parallele Wankachse auszuführen. Um sicherzustellen, dass ein zulässiges Lichtraumprofil von der Fahrzeugkontur nicht überschritten wird, ist der maximal erlaubte Wankwinkel eines Fahrzeuges limitiert. Gleichzeitig wirkt eine hohe Wanksteifigkeit einer zu großen Radentlastung im Falle eines auftretenden Seitenwindes entgegen, wodurch sich die Kippsicherheit bzw. die Seitenwindstabilität erhöht. Die Wanksteifigkeit eines Fahrzeuges kann dabei durch den Einsatz steiferer Primär- und Sekundärfedern erhöht werden. Dem entgegengerichtet stehen allerdings jene Anforderung zur Erfüllung der Sicherheit gegen Entgleisung. Steife Federstufen können beim langsamen Befahren eines verwundenen Gleisbogens zu einer unzulässig hohen Radentlastung führen, was ein Risiko einer Entgleisung darstellt. Ebenso kann eine zu steif ausgeführte Federung den Fahrkomfort eines Fahrzeuges erheblich verschlechtern, was unangenehm für Passagiere ist.
  • Eine Möglichkeit einer technischen Lösung für diese Zielkonflikte stellt der Einsatz von Wankstützeinrichtungen in Form sogenannter Wankstabilisatoren dar. Deren Aufgabe ist es, der Wankbewegung des Wagenkastens einen Widerstand entgegenzusetzen, um sie zu mindern, während die Hub- und Tauchbewegungen des Wagenkastens gegenüber den Radeinheiten, also dem Fahrwerk, nicht behindert werden sollen. Solche Wankstabilisatoren sind in verschiedenen hydraulisch oder rein mechanisch wirkenden Ausführungen bekannt. Häufig kommt ein sich quer zur Fahrzeuglängsrichtung erstreckender Torsionsstab (Torsionswelle) zum Einsatz, wie sie beispielsweise aus der WO 2014 009142 A1 oder aus der DE 24 21 874 A1 bekannt ist. Auf diesem Torsionsstab sitzen zu beiden Seiten der Fahrzeuglängsachse drehfest angebrachte Hebel, die sich in Fahrzeuglängsrichtung erstrecken. Diese Hebel sind wiederum mit Lenkern bzw. Zug-Druckstangen verbunden, welche kinematisch parallel zu den Federeinrichtungen des Fahrzeugs angeordnet sind. Beim Einfedern der Federeinrichtungen des Fahrzeugs werden die auf der Torsionswelle sitzenden Hebel über die mit ihnen verbundenen Lenker in eine Drehbewegung versetzt. Da dabei beide Hebel um denselben Winkel gedreht werden, bleibt der Torsionsstab momentenfrei. Kommt es bei der Bogenfahrt hingegen zu einer Wankbewegung mit unterschiedlichen Federwegen der Federeinrichtungen auf den beiden Seiten des Fahrzeugs, ergeben sich hieraus unterschiedliche Drehwinkel der auf dem Torsionsstab befestigten Hebel. Der Torsionsstab wird demgemäß mit einem Torsionsmoment beaufschlagt, welches dieser - je nach seiner Torsionssteifigkeit - bei einem bestimmten Torsionswinkel durch ein aus ihrer elastischen Verformung resultierendes Gegenmoment ausgleicht und so eine weitere Wankbewegung verhindert. Dabei kann bei mit Drehgestellen ausgestatteten Schienenfahrzeugen die Wankstützeinrichtung (Wankstabilisator) sowohl für die Sekundärfederstufe vorgesehen sein, d. h. zwischen einem Fahrwerksrahmen und dem Wagenkasten wirken. Ebenso kann die Wankstützeinrichtung auch in der Primärstufe eingesetzt werden, d. h. zwischen den Radeinheiten und einem Fahrwerksrahmen oder - bei fehlender Sekundärfederung - einem Wagenkasten wirken. Der Wankstabilisator ist sowohl für Einzelrad-Laufwerke als auch für einachsige, d. h. nur einen einzelnen Radsatz aufweisende Laufwerke und auch für Drehgestelle vorgesehen. Mittel eines solchen Wankstabilisators ist die Fahrdynamik eines Schienenfahrzeugs verbesserbar, jedoch ist er in seiner Wirkungsbreite beschränkt, sodass weitere Abstimmungsmöglichkeiten gewünscht werden. Insbesondere ist der Zielkonflikt zwischen möglichst hoher Entgleisungssicherheit, für die ein weich abgestimmter Wankstabilisator zuträglich ist und dem Einhalten des Lichtraumprofils, was einen Wankstabilisator mit möglichst harter Federkennlinie bedarf, nicht gelöst.
    • Darstellung der Erfindung
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Wankstabilisator für ein Schienenfahrzeug anzugeben, welcher in weiten Bereichen abstimmbar ist und welcher das Wanken eines Wagenkastens in Hinsicht auf Entgleisungssicherheit und Einhalten des Lichtraumprofils hin optimieren lässt.
  • Die Aufgabe wird durch einen Wankstabilisator für ein Schienenfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Schienenfahrzeug nach Anspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand untergeordneter Ansprüche.
  • Dem Grundgedanken der Erfindung nach wird ein Wankstabilisator für ein Schienenfahrzeug beschrieben, welcher zur Anordnung zwischen einem Fahrwerk und einem Wagenkasten des Schienenfahrzeugs eingerichtet ist und welcher einen in Einbaulage quer zur Fahrzeuglängsrichtung angeordneten Torsionsstab mit an seinen beiden Enden drehfest angeordneten Hebeln, je eine Zug-Druckstange für jeden Hebel umfasst, wobei jeder Hebel gelenkig mit einem Ende der Zug-Druckstange verbunden ist und diese mit ihrem anderen Ende mit dem Wagenkasten gelenkig verbindbar ist, und wobei die Zug-Druckstangen oder die Hebel oder der Torsionsstab oder eine Verbindungsstelle zwischen diesen Bauteilen eine progressive Federkennlinie aufweisen.
  • Dadurch ist der Vorteil erzielbar, einen Wankstabilisator realisieren zu können, welcher umfangreichere fahrdynamische Abstimmungsmöglichkeiten bietet als ein Wankstabilisator aus dem Stand der Technik.
  • Erfindungsgemäß wird ein Wankstabilisator, welcher prinzipiell nach demselben Wirkungsprinzip arbeitet wie ein herkömmlicher Wankstabilisator, mit einer progressiven Federkennlinie ausgestattet, sodass nach einem ersten, weicheren Abschnitt der Federkennlinie (Kraft-Weg Charakteristik oder auch Momenten-Verdrehwinkel Charakteristik) bei weitergehenden Wankwinkeln ein zweiter, härterer Abschnitt der Federkennlinie zur Wirkung kommt. Somit kann bei geringeren, auf ein Schienenfahrzeug wirkenden Querbeschleunigungen eine weichere Abstimmung realisiert werden, andererseits bei höheren Querbeschleunigungen ein Einhalten des Lichtraumprofils sichergestellt werden. Ein wesentlicher Vorteil der vorgebrachten Erfindung liegt dabei, bei einem luftfederbetriebenen Fahrzeug vor, welches zufolge eines Störfalles (Platzen einer Luftfeder oder Ausfall einer Druckluftversorgung) auf den verhältnismäßig steifen Notfedern aufliegt und somit durch die Parallelwirkung von Notfeder und Wankstabilisator eine insgesamt deutlich erhöhte Wanksteifigkeit aufweist als im regulären Luftfederbetrieb. Die Notfedern erlauben dabei aufgrund erhöhter Steifigkeiten nur geringe Wankwinkel. Im Bereich geringer Wankwinkel weist der in der Erfindung offenbarte Wankstabilisator eine noch weiche Federcharakteristik auf, was sich günstig auf die Sicherheit gegen Entgleisen beim Befahren von verwundenen Gleisbögen auswirkt.
  • Ein erfindungsgemäßer Wankstabilisator umfasst zwei Zug-Druckstangen, welche an einem ihrer Enden mit einem Wagenkasten eines Schienenfahrzeugs gelenkig verbindbar sind und welche Zu-Druck-Kräfte auf je einen Hebel übermitteln. Diese Hebel sind an gegenüberliegenden Enden eines Torsionsstabes drehfest angeordnet. Der die Hebel verbindende Torsionsstab ist an einem Fahrgestell (im Allgemeinen ein Drehgestell, aber auch eine Einzelachse) drehbar gelagert. In diese Anordnung ist nun eine progressive Federkennlinie eingebracht, welche entweder allein oder in Kombination in die Zug-Druckstangen, die Hebel oder den Torsionsstab oder eine Verbindungsstelle zwischen diesen Bauteilen integriert sein kann.
  • Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, die Zug-Druckstangen, welcher einen Wagenkasten mit einem Hebel verbinden, mit einer progressiven Federkennlinie auszustatten. Dabei weisen die Zug-Druckstangen in kraftfreiem Zustand eine bestimmte Ausgangslänge aus, welche sich unter Zug- bzw. Druckkräften gemäß der Federkonstante ändert. Eine solche Zug-Druckstange kann besonders vorteilhaft dadurch hergestellt werden, dass sie in einen ersten und einen zweiten Abschnitt geteilt ist und eine progressive Feder zwischen diesen Abschnitten so angeordnet ist, dass sie sowohl in Zug- als auch Druckrichtung wirken kann. Dazu sind insbesondere Spiralfedern geeignet, welche zur Erzielung einer gewünschten Progression entsprechend gewickelt werden können. Dabei kann die Spiralfeder aus zwei einzelnen Federn mit jeweils progressiver Charakteristik aufgebaut sein.
  • Neben Spiralfedern können auch geeignet ausgeführte Tellerfedern oder Elastomere (z.B. Gummikonusfedern) eingesetzt werden. Neben einer Federausführung aus zwei Einzelfedern kann auch eine einstückige Feder mit punktsymmetrischer progressiver Federkennlinie ausgeführt werden.
  • Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, den Torsionsstab mit einer progressiven Federkennlinie, in diesem Fall einer progressiven Momenten-Verdrehwinkel Charakteristik auszustatten. Ein solcher Torsionsstab ist mehrteilig auszuführen, wobei bei einer ersten Variante der Torsionsstab in zwei Abschnitte geteilt ist und zwischen den Abschnitten ein elastisches Element eingefügt ist. Dieses elastische Element setzt einer Verdrehung weniger Widerstand entgegen als die beiden Abschnitte, sodass nachdem der Verformungsweg des elastischen Elements aufgebraucht ist, die Federkonstante der zwei Abschnitte wirkt. Das elastische kann dabei beispielsweise als Elastomer oder als metallische Feder, ähnlich einer Blattfeder ausgebildet sein.
  • Eine weitere bevorzugte Ausführungsform sieht vor, mindestens ein elastisches Element in eine Verbindungsstelle von Hebel zu Torsionsstab einzubringen, indem die Verbindung auf Seiten des Torsionsstabes als Keilwelle ausgeführt ist und als Gegenstück dazu auf Seiten der Hebel als Keilnabe ausgeführt ist und die elastischen Elemente zwischen der Verzahnung eingefügt sind.
  • Eine solche Verbindungsstelle kann an zwischen dem Torsionsstab und einem der Hebel vorgesehen sein oder an beiden Hebeln.
  • Eine weitere bevorzugte Ausführung eines Torsionsstabes mit progressiver Federkennlinie setzt ebenfalls zwei Abschnitte ein, wobei zwischen zwei ersten Abschnitten ein zweiter angeordnet ist, welcher einer weichere Federkennlinie als die zweiten Abschnitte aufweist. Bei Aufbringen eines Drehmoments auf diesen Torsionsstab verdreht sich zuerst der weichere zweite Abschnitt bis zu einem bestimmten Drehwinkel der Verformung. Bei diesem bestimmten Verdrehwinkel kommen Anschläge zum Eingriff und verhindern eine weitere Verdrehung des zweiten Abschnitts. Jede weitere Verformung (Verdrehung) bei steigendem Drehmoment findet in den beiden ersten Abschnitten statt, welche eine steifere Federkennlinie aufweisen und die gesamte Federkennlinie eines solchen Torsionsstabs ist somit progressiv.
  • Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, zumindest einen der Hebel eines Wankstabilisator elastisch und mit einer progressiven Federkennlinie auszuführen. Dazu ist der Hebel elastisch auszuführen, wobei diese Elastizität mit einer progressiven Federkennlinie, beispielsweise durch ein Blattfederpaket, realisiert ist.
  • Es ist vorteilhaft, den Wankstabilisator kinematisch parallel zu der Federeinrichtung anzuordnen. Im Gegensatz zu kinematisch seriellen Anordnungen ist dabei eine weitaus allgemein anwendbare Lösung geschaffen und insbesondere können bestehende Wankstabilisatoren einfach durch Austausch einzelner Bauteile wie Zug-Druckstangen oder Hebel mit der vorteilhaften Eigenschaft einer progressiven Federkennline nachgerüstet werden.
  • Des Weiteren umfasst die Erfindung ein Schienenfahrzeug, welches einen Wankstabilisator nach der hier dargelegten Idee aufweist.
    • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • Es zeigen beispielhaft:
    • Fig.1 Wankstabilisator mit Feder in den Zug-Druckstangen.
    • Fig.2 Zug-Druckstange mit progressiver Feder.
    • Fig.3 Wankstabilisator mit Feder im Torsionsstab, erste Ausführung.
    • Fig.4 Torsionsstab mit progressiver Feder, erste Ausführung.
    • Fig.5 Wankstabilisator mit Feder im Torsionsstab, zweite Ausführung.
    • Fig.6 Torsionsstab mit progressiver Feder, zweite Ausführung.
    • Fig.7 Hebel mit progressiver Feder.
    Ausführung der Erfindung
  • Fig.1 zeigt beispielhaft und schematisch einen Wankstabilisator mit Federn in den Zug-Druckstangen. Es ist ein Wankstabilisator 1 dargestellt, welcher aus einer ersten 5 und zweiten 6 Zug-Druckstange aufgebaut ist, welche mittels eines ersten Gelenks 9 bzw. einem zweiten Gelenk 10 schwenkbar mit einem Wagenkasten eines Schienenfahrzeugs verbindbar sind. Ein Wagenkasten oder Teile eines Fahrwerks sind in Fig.1 zur Verdeutlichung der Erfindung nicht dargestellt. Beide Zug-Druckstangen 5, 6 wirken auf je einen ihnen zugeordneten Hebel 3, 4 welche ihrerseits drehfest an einem Torsionsstab 2 angeordnet sind. Der Wankstabilisator 1 ist zur Befestigung an einem Fahrwerk eingerichtet, wozu eine erste Lagerung 7 und einer zweite Lagerung 8 vorgesehen sind, welche den Torsionsstab 2 drehbeweglich führen und welche zur lösbaren Befestigung an einem Fahrwerk eingerichtet sind. Eine Bewegung einer der Zug-Druckstangen 5, 6 wird somit über die Hebel 3, 4 und den Torsionsstab 2 synchron an die jeweils andere Druckstange übertragen. Um jedoch ein Wanken des Wagenkastens gegenüber dem Fahrwerk zuzulassen, ist der Wankstabilisator 1 mit einer Elastizität versehen, d.h. die Zug-Druckstangen können jeweils unterschiedliche Positionen gegenüber dem Fahrwerk einnehmen, wobei eine dieser Positionsdifferenz proportionale Gegenkraft ausgeübt wird. Diese Gegenkraft wird bei konventionellen Wankstabilisatoren durch den sich dabei verdrehenden Torsionsstab 2 aufgebracht. Gegenständlicher Erfindung folgend sind in gezeigtem Ausführungsbeispiel die Zug-Druckstangen 5, 6 federnd aufgebaut, wobei sie eine progressive Federkennlinie aufweisen.
  • Fig.2 zeigt beispielhaft und schematisch eine Zug-Druckstange mit progressiver Feder. Es ist ein Schnitt durch eine Zug-Druckstange gezeigt, wie sie in dem Ausführungsbeispiel aus Fig.1 zum Einsatz kommt. Die Zug-Druckstange ist in einen ersten Abschnitt 11 und einen zweiten Abschnitt 12 geteilt, wobei der erste Abschnitt 11 an seinem dem zweiten Abschnitt 12 zugewandten Ende eine Platte 14 umfasst. Der zweite Abschnitt 12 umfasst eine, die Platte 14 aufnehmende Hülse, welche als Hohlzylinder 13 aufgebaut ist. Diese Anordnung ist ähnlich einem gebräuchlichen Pneumatik- oder Hydraulikzylinder, jedoch sind zwei progressive Federn 15 zwischen der Platte 14 des ersten 11 Abschnitts und dem Hohlzylinder 13 des zweiten Abschnitts 12 angeordnet. Diese Anordnung stellt sicher, dass einerseits sowohl in Zug- als auch in Druckrichtung dieselbe Federkonstante wirkt, als auch eine progressive Federkennlinie gegeben ist. Die progressive Feder 15 ist als Schraubenfeder ausgeführt, da solcherart die Federkennlinie durch die Art der Wicklung der Feder und das Material gut bestimmbar ist.
  • Fig.3 zeigt beispielhaft und schematisch einen Wankstabilisator mit Feder im Torsionsstab, erste Ausführung. Es ist eine weitere Ausführungsform eines Wankstabilisators 1 dargestellt, welcher äquivalent zu dem in Fig.1 offenbarten Wankstabilisator aufgebaut ist, bei welchem aber der Torsionsstab 16 mit einer progressiven Torsionsfederkennlinie ausgestattet ist.
  • Fig.4 zeigt beispielhaft und schematisch einen Torsionsstab mit progressiver Feder, erste Ausführung. Es ist der progressive Torsionsstab 16 aus Fig.3 in Einzeldarstellung seiner Komponenten und in zusammengefügtem Zustand dargestellt. Der progressive Torsionsstab 16 ist in einen ersten Abschnitt 17 und einen zweiten Abschnitt 18 geteilt, wobei die einander zugewandten Enden der Abschnitte 17, 18 zur Übertragung von Drehmoment auf den jeweils anderen Abschnitt 17, 18 geformt sind, d.h. dass sie für den formschlüssigen Eingriff ineinander ausgebildet sind. Dieser formschlüssige Eingriff ist mit einem Spiel um die Längsachse der Abschnitte 17, 18 ausgestattet, sodass die Abschnitte 17, 18 in Eingriff befindlich sich zueinander um einen bestimmten Winkel momentenfrei verdrehen können. In dieses Spiel ist ein elastisches Element 19 eingebracht, welche entgegen der Verdrehung der Abschnitte 17, 18 zueinander eine Federwirkung entsprechend der Federkonstante des elastischen Elements 19 aufbringt. In Fig.4 ist ein einzelnes elastisches Element 19 dargestellt, die Ausführung der Abschnitte 17, 18 legt die Verwendung von sechs elastischen Elementen nahe. Die Momenten-Drehwinkel-Kennlinie eines progressiven Torsionsstabs 16 folgt zuerst der Federkonstante des elastischen Elements 19, bis nach vollständiger Verformung des elastischen Elements 19 die gemeinsame Drehfederkonstante des ersten 17 und zweiten Abschnitts des progressiven Torsionsstabs 16 zur Wirkung kommt. Des Weiteren ist in Fig. 4 eine Zusammenbaudarstellung des soeben beschriebenen progressiven Torsionsstabes angeführt.
  • Fig.5 zeigt beispielhaft und schematisch einen Wankstabilisator mit Feder im Torsionsstab, zweite Ausführung. Es ist ein Wankstabilisator 1 dargestellt, welcher ebenso nach dem Prinzip der Wankstabilisatoren aus den in Fig.1 und 3 gezeigten Wankstabilisatoren aufgebaut ist, wobei ein progressiver Drehstab 20 zum Einsatz kommt, welcher jedoch anders als in Fig.4 offenbart, aufgebaut ist. Gemäß dieses Ausführungsbeispiels kommt ein Anschlag zum Einsatz, welcher bei einem bestimmten Verdrehwinkel eines ersten Abschnitts des progressiven Torsionsstabs 20 die weitere Torsion sperrt und somit jede weitere Torsion in einem zweiten Abschnitt des Torsionsstabs 20 stattfindet.
  • Fig.6 zeigt beispielhaft und schematisch einen Torsionsstab mit progressiver Feder, zweite Ausführung. Es ist der progressive Torsionsstab 20 aus Fig.5 in einer Detaildarstellung gezeigt, wobei der progressive Torsionsstab 20 aus einem ersten Abschnitt 21 gebildet ist, in dessen Längsverlauf ein zweiter Abschnitt 22 eingefügt ist. Dabei weist der zweite Abschnitt 22 eine geringere Torsionsfederkonstante auf als der gesamte erste Abschnitt 21. Es sind Anschläge 23 vorgesehen, welche mit einem der ersten Abschnitte 21 fest verbunden sind und welche in entsprechende Ausnehmungen in dem weiteren ersten Abschnitt 21 eingreifen. Ab einem bestimmten Verdrehwinkel des zweiten Abschnitts 22 blockieren diese Anschläge die weitere Verdrehung des zweiten Abschnitts 22, sodass die weitere Torsion des progressiven Torsionsstabs 20 nur mehr in dem ersten Abschnitten 21 stattfindet.
  • Fig.7 zeigt beispielhaft und schematisch einen Hebel mit progressiver Feder. Es ist eine Ausführungsform der Erfindung dargestellt, bei welcher ein Hebel 24 mit einer progressiven Federkennlinie ausgestattet ist. Ein Hebel, welcher bei konventionellen Wankstabilisatoren möglichst unverformbar gebaut ist, wird gemäß dieses Ausführungsbeispiels elastisch mit einer progressiven Federkennlinie ausgeführt. Der Hebel 24 ist aus einer inneren Feder 25 aufgebaut, welche an einem ihrer Enden zur schwenkbaren Befestigung mit einer Stange 27 ausgebildet ist. Diese Stange 27 verbindet den Hebel 24 mit einem Wagenkasten und entspricht den in den vorgehenden Ausführungsbeispielen gezeigten Zug-Druckstangen. Die Stange 27 ist ohne elastische Eigenschaften, d.h. unter den Betriebskräften findet keine nennenswerte Verformung der Stange 27 statt. Das andere Ende der inneren Feder 25 ist fest mit einem Grundkörper des Hebels 24 befestigt, welcher seinerseits drehfest an einem Torsionsstab befestigt ist. Die durch Wankbewegungen des Wagenkastens bewirkten und über die Stange 27 übermittelten Kräfte verformen die innere Feder 25, sodass sich um einen bestimmten Winkelbereich der Verformung eine lineare Federcharakteristik einstellt. Eine äußere Feder 26 ist an einem ihrer Enden fest mit dem Grundkörper des Hebels 27 verbunden, sie erstreckt sich U-förmig um die innere Feder 25 und ist bei kraftloser innerer Feder 25 von ihr beabstandet. Mit zunehmender auf die innere Feder 25 wirkender Kraft berühren sich innere 25 und äußere 26 Feder, sodass ab dieser Auslenkung der inneren Feder 25 eine Federkonstante aus der Summe der Federkonstanten der inneren 25 und äußeren 26 Feder einstellt, der Hebel 24 somit eine progressive Federkennlinie aufweist. Eine solche Ausführungsform erlaubt eine besonders gut einstellbare Federkennlinie, da auch noch mehr Federn eingesetzt werden können und die Progression damit leicht an unterschiedliche Anforderungen angepasst werden kann.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Wankstabilisator
    2
    Torsionsstab
    3
    Erster Hebel
    4
    Zweiter Hebel
    5
    Erste Zug-Druckstange
    6
    Zweite Zug-Druckstange
    7
    Erste Lagerung
    8
    Zweite Lagerung
    9
    Erstes Gelenk
    10
    Zweites Gelenk
    11
    Erster Abschnitt der Zug-Druckstange
    12
    Zweiter Abschnitt der Zug-Druckstange
    13
    Hohlzylinder
    14
    Platte
    15
    Progressive Feder
    16
    Progressiver Torsionsstab mit elastischem Element
    17
    Progressiver Torsionsstab - erster Abschnitt
    18
    Progressiver Torsionsstab - zweiter Abschnitt
    19
    Elastisches Element
    20
    Progressiver Torsionsstab mit Anschlägen
    21
    Progressiver Torsionsstab mit Anschlägen - erster Abschnitt
    22
    Progressiver Torsionsstab mit Anschlägen - zweiter Abschnitt
    23
    Anschlag
    24
    Hebel mit progressiver Federkennlinie
    25
    Innere Feder
    26
    Äußere Feder
    27
    Stange

Claims (10)

  1. Wankstabilisator (1) für ein Schienenfahrzeug, eingerichtet zur Anordnung zwischen einem Fahrwerk und einem Wagenkasten des Schienenfahrzeugs, umfassend einen in Einbaulage quer zur Fahrzeuglängsrichtung angeordneten Torsionsstab (2) mit an seinen beiden Enden drehfest angeordneten Hebeln (3, 4), je eine Zug-Druckstange (5, 6) für jeden Hebel (3, 4), wobei jeder Hebel (3,.4) gelenkig mit einem Ende der Zug-Druckstange (5, 6) verbunden ist und diese mit ihrem anderen Ende mit dem Wagenkasten gelenkig verbindbar ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Zug-Druckstangen (5, 6) oder die Hebel (3, 4) oder der Torsionsstab (2) oder eine Verbindungsstelle zwischen diesen Bauteilen eine progressive Federkennlinie aufweisen.
  2. Wankstabilisator (1) für ein Schienenfahrzeug nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Zug-Druckstangen (5, 6) als progressive Feder ausgebildet sind, wobei die Zug-Druckstangen (5, 6) jeweils in einen ersten (11) und einen zweiten (12) Abschnitt geteilt sind und wobei zwischen dem ersten (11) und dem zweiten (12) Abschnitt mindestens eine progressive Feder (15) angeordnet ist.
  3. Wankstabilisator (1) für ein Schienenfahrzeug nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Hebel (3, 4) als progressive Feder ausgebildet sind, wobei eine innere Feder (25) vorgesehen ist, welche als Verbindung von dem Torsionsstab (2) zu einer gelenkigen Verbindung mit einer Stange (27) ausgebildet ist und welche bei einer bestimmten Verformung in Kontakt mit einer äußeren Feder (26) gerät, sodass ab dieser Verformung die Summe der Federkonstanten der inneren (25) und äußeren (26) Federn wirkt.
  4. Wankstabilisator (1) für ein Schienenfahrzeug nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    ein Torsionsstab (16) als progressive Feder ausgebildet sind, wobei der Torsionsstab (16) in einen ersten (17) Abschnitt und einen zweiten (18) Abschnitt geteilt ist und zwischen den Abschnitten (17, 18) mindestens ein elastisches Element eingefügt ist.
  5. Wankstabilisator (1) für ein Schienenfahrzeug nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der erste Abschnitt (17) des Torsionsstabs (16) mehrere Ausnehmungen aufweist und der zweite Abschnitt (18) des Torsionsstabs (16) mehrere Ausformungen aufweist, welche ineinandergreifen und dabei Freiräume zwischen den Ausnehmungen und den Ausformungen bestehen und in diese Freiräume elastische Elemente (19) eingefügt sind.
  6. Wankstabilisator (1) für ein Schienenfahrzeug nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    ein Torsionsstab (20) als progressive Feder ausgebildet sind, wobei der Torsionsstab (20) in einen ersten (21) Abschnitt und einen zweiten (22) Abschnitt geteilt ist, wobei der zweite Abschnitt (22) eine geringere Federkonstante als der erste (21) Abschnitt aufweist, wobei ab einem bestimmten Torsionswinkels zwischen dem ersten (21) und dem zweiten (22) Abschnitt Anschläge (23) die weitere Torsion des zweiten (22) Abschnitts blockieren und ab diesem Abschnitt die Federkonstante des ersten Abschnitts (21) wirkt.
  7. Wankstabilisator (1) für ein Schienenfahrzeug nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Verbindungstelle zwischen dem Torsionsstab (2) und zumindest einem der beiden Hebeln (3, 4) als progressives Federelement ausgebildet sind, wobei die Anbindungen des Torsionsstabs (2) als Keilwelle ausgeführt sind, und die Anbindungen der Hebel als Gegenstück dazu ein Keilnabenprofil aufweisen, wobei zwischen diesen Verbindungen elastische Elemente (19) eingefügt sind.
  8. Wankstabilisator (1) für ein Schienenfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Federkennlinien der Zug-Druckstangen (5, 6) oder der Hebel (24) oder des Torsionsstabs (16, 20) in Zug- und Druckrichtung, bzw. links- und rechtsdrehender Torsion symmetrisch sind.
  9. Wankstabilisator (1) für ein Schienenfahrzeug nach Anspruch 1 bis 7, wobei das Schienenfahrzeug eine Federeinrichtung zwischen einem Wagenkasten und einem Fahrwerk aufweist,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Wankstabilisator (1) kinematisch parallel zu der Federeinrichtung angeordnet ist.
  10. Schienenfahrzeug, umfassend einen Wankstabilisator nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
EP25188145.4A 2024-07-31 2025-07-08 Wankstabilisator Pending EP4686636A1 (de)

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