Die Erfindung bezieht sich auf eine Querfederung für ein Schienenfahrzeug und auf ein Verfahren zum Steuern der Stellung eines Schienenfahrzeug-Wagenkastens mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Vorrichtungsanspruchs 1 bzw. des Verfahrensanspruchs 8. Eine bekannte Querfederung (EP 0 592 387 A1) mit diesen Merkmalen basiert auf einer Druckausgleichsregelung, bei der die aktiven, fluidgestützten Querfedern in Abhängigkeit vom Querweg y des Wagenkastens gegenüber dem Drehgestellrahmen über Druckregelventile mit einem vorgegebenen Solldruck aus einer Druckquelle beaufschlagt werden. Der Solldruck ist also dort eine Funktion der Wagenkastenauslenkung in y-Richtung.
Zur Minimierung des Luftverbrauchs wird der Wagenkasten nicht in eine bestimmte Position gebracht, insbesondere nicht in seine Mittellage rückgestellt. Statt dessen soll bei normaler Bogenfahrt des Schienenfahrzeugs ein Anlaufen an die harte Zusatz- oder Notfederung vermieden werden. Die Kennlinie der Querfederung bleibt trotz Druckerhöhung immer noch weicher als die (Gummi-)Zusatzfederung, so daß der Fahrkomfort beträchtlich erhöht werden kann. Gleichwohl kann aus Sicherheitsgründen nicht ganz auf die Zusatzfederung verzichtet werden, da diese bei einem Ausfall der Druckregelung neben den Sekundärfedern die einzige verbleibende Querfederung darstellt.
Ein gewisser Nachteil dieser bekannten Querfederung ist deren relativ hoher Energiebedarf. Dieser entsteht durch die Notwendigkeit, in den aktiven Elementen bei allen Fahrzuständen, also auch bei Geradeausfahrt, ständig einen bestimmten Druck aufrecht zu erhalten, wobei andererseits ein ständiger dynamischer Druckabbau möglich sein muß, um die Querfederung nicht unzulässig gegen die dynamischen Querschwingungen kleiner Amplituden zu verhärten.
Mit der bekannten Querfederung kann eine Wagenkasten-Neigungssteuerung, mit der die regelmäßig zu fahrenden Bogengeschwindigkeiten angehoben werden können, nicht unterstützt werden, weil bei hohen Fliehkräften in stationärer Bogenfahrt bald die Druckerhöhung auf der bogenaußenseitigen Querfederseite einsetzt. Zum Neigen eines Fahrzeugs nach bogeninnen ist jedoch eine gewisse Querverlagerung des Wagenkastens gegenüber dem Fahrgestell erwünscht, damit das Lichtraumprofil eingehalten wird und ggf. die Höhe des Wankpols optimiert werden kann.
Als Wankpol bezeichnet man die in Fahrzeuglängsrichtung liegende, in Z- und ggf. auch Y-Richtung lageveränderliche Achse, um die sich der Wagenkasten momentan dreht, wenn er in einen Bogen hineingeneigt wird.
Insbesondere wird durch die besagte Querverschiebung des Wagenkastens nach kurvenaußen der Wankpol gegenüber einer konventionellen starren Drehzapfen-Querfeder-Anordnung nach oben verschoben. Damit wird einerseits die fahrzeugseitige Einhaltung des Lichtraum-Streckenprofils sichergestellt und andererseits der Einfluß von Querbeschleunigungen aus der aktiven Neigungssteuerung auf das Wohlbefinden der Fahrgäste minimiert.
Bei einer weiteren bekannten aktiven Querfederung (DE 42 16 727 A1) sind zur Begrenzung der Amplituden von Querschwingungen von Schienenfahrzeugen vor allem im Haltestellenbereich bei hohem Strecken-Fahrkomfort einfachwirkende Nehmerzylinder zwischen dem Wagenkasten und dem Fahrgestell gegeneinander arbeitend liegend angeordnet, deren Arbeitskammern jeweils mit einem hydropneumatischen Federelement sowie mit einem angetriebenen Geberzylinder kommunizieren. Mittels des letzteren kann der hydraulische Druck in den Nehmerzylindern bedarfsweise gesteuert, insbesondere erhöht werden, um die den Wagenkasten auf die Fahrgestellmitte zentrierende Kraft zu erhöhen und auf der Federseite eine höhere Vorspannung bzw. Federsteifigkeit einzustellen. Die Federelemente können eine progressive Kraft-Weg-Kennlinie haben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ausgehend vom eingangs erörterten Stand der Technik eine aktive Querfederung für Schienenfahrzeuge anzugeben, mit der auch bei gewollten Querauslenkungen des Wagenkastens bei stationärer Bogenfahrt dynamische Störungen mit geringen Schwingungsamplituden von einer weichen Federcharakteristik ausgeglichen werden können. Auch soll ein Verfahren zur aktiven Steuerung der Stellung eines Wagenkastens mittels einer solchen Querfederung angegeben werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Vorrichtungsanspruchs 1 und des Verfahrensanspruchs 8 gelöst. Die Merkmale der sich jeweils an die unabhängigen Ansprüche anschließenden Unteransprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Vorrichtung bzw. des Verfahrens an.
Mit der erfindungsgemäßen Querfederung werden weitere Vorteile erreicht:
Man kann die Mittellage der weichen Querfedersteifigkeit jetzt bei stationärer Bogenfahrt entsprechend der seitlichen Auslenkung des Wagenkastens aus der Drehgestellmitte bedarfsgerecht nach kurvenaußen verschieben, so daß die dynamischen Querschwingungen geringer Amplituden, die z. B. durch Gleisunebenheiten angeregt werden, weiterhin wie bei Geradeausfahrt weich abgefedert werden.
Ein zweiter Vorteil besteht in der Möglichkeit, bei einem mit aktiver Neigungssteuerung ausgestatteten Fahrzeug die Lage des Wankpols beeinflussen zu können.
Schließlich ist der Energiebedarf der erfindungsgemäßen Lösung geringer als beim Stand der Technik, weil bei Geradeausfahrt keine Fluidzufuhr zu den Antriebselementen notwendig ist. Wenn durch dynamische Querschwingungen Fluid aus den Antriebselementen verdrängt wird, gelangt dieses nicht in den Rücklauf, sondern wird in den Speicherelementen gepuffert.
Weitere Einzelheiten und Vorteile des Gegenstands der Erfindung gehen aus der Zeichnung eines Ausführungsbeispiels und deren sich im folgenden anschließender eingehender Beschreibung hervor.
Es zeigen
Ein Wagenkasten 1 ist gemäß Fig. 1 gegenüber einem nur durch einen Querträger 2 angedeuteten Fahrgestell, z. B. einem Drehgestellrahmen, in Querrichtung über einen Mitnehmer 3 und daran angelenkte Kolbenstangen 4a, 4b eines rechten Antriebs 5 und eines linken Antriebs 6 abgestützt. Der Mitnehmer 3 kann als Drehzapfen in der Hochachse der Schwenkbewegungen des Drehgestells liegen.
Die vorhandene Sekundärfederung und -dämpfung zwischen dem Wagenkasten und dem Fahrgestell ist hier zur Vereinfachung nicht dargestellt.
Die Antriebe 5 und 6 sind als liegende, doppeltwirkende Differential-Hubzylinder mit je zwei Arbeitskammern ausgeführt und an dem Querträger 2 gelenkig so befestigt, daß das Einfedern des Wagenkastens in der Sekundärfederung und das Ausdrehen des Fahrgestells bei Bogenfahrt nicht behindert wird.
Ihre Arbeitskammern sind durch Leitungen 7 bzw. 8 überkreuz miteinander verbunden und sind so paarweise an zwei getrennte Systemzweige A, B angeschlossen. Die Wirkungsflächen der Hubzylinder sind in der Summe in beiden Bewegungsrichtungen gleich. Jeder der beiden Systemzweige A und B kommuniziert -über ein schaltbares oder proportional steuerbares Ventil V1 bzw. V2- mit einem hydropneumatischen Speicherelement 9 bzw. 10. Letztere sind luftseitig vorgespannt, indem der hydraulische Systemdruck selbsttätig ständig oberhalb eines Mindestlevels gehalten wird.
Die Luftvolumina der Speicherelemente stellen eine relativ weiche Querfederung dar, auf die der Wagenkasten über das hydraulische System abgestützt ist. Querkomponenten aus der Sekundärfederung können noch hinzukommen.
Abweichend von der hier vereinfachten Darstellung kann in jedem Systemzweig mehr als ein Speicherelement vorgesehen werden, damit man auch die Querfederkonstante z. B. durch Zu- und Wegschalten eines weiteren Volumens beeinflussen kann.
Ferner kann die Antriebseinrichtung abweichend von der hier gewählten Darstellung auch mit nur einem Gleichgangzylinder anstelle der beiden doppeltwirkenden Zylinder 5 und 6 arbeiten, dessen beide Arbeitskammern dann jeweils an einen der Systemzweige A bzw. B angeschlossen werden. Zwar hätte man damit einen geringeren Bauteileaufwand, jedoch ist der relativ voluminöse und wegen der beidseitigen Kolbenstange lange Gleichlaufzylinder im beengten Drehgestell-Einbauraum schlechter unterzubringen als die bevorzugte geteilte Anordnung.
Bei jeder Bewegung der Kolbenstangen 4a und 4b, die gegen die Querfederkraft aus der dargestellten kraftneutralen Mittellage aufgrund von auf den Wagenkasten 1 einwirkenden Querkräften abweicht, wird in beiden Systemzweigen A, B ein Flüssigkeitsvolumen über die beiden Leitungen 7 und 8 verschoben.
Z. B. wird bei einer Kolbenbewegung nach links (z. B. beim Einlauf in eine Rechtskurve, wenn man in Fahrtrichtung auf die Figur blickt) aus beiden linken Arbeitskammern der Antriebe 5 und 6 Volumen verdrängt und der Innendruck in dem linken Speicherelement 9 erhöht. Andererseits vergrößert sich das Volumen der beiden rechten Arbeitskammern, wobei aus dem rechten Speicherelement 10 durch Druckabsenkung nachgefüllt wird.
Die Speicherelemente 9 und 10 puffern dabei auch die Differenzen zwischen den verdrängten Volumina der kommunizierenden Arbeitskammern. Die Kolbenstangen sind also durch Hin- und Herschieben der hydraulischen Kammerfüllung gegen Federkraft beweglich. Das gilt auch bei einem eventuellen Ausfall des Druckerzeugers.
Strömungswiderstände in den Leitungen 7 und 8 sowie in den Ventilen verursachen eine auslegungsabhängige Bewegungsdämpfung. Z. B. könnte man ein Drossel- oder Dämpferventil vorsehen. Man wird ggf. auf einen separaten, in konventionellen Fahrgestellen vorzusehenden Querdämpfer verzichten können, wenn es gelingt, dessen Wirkung auf die hydraulische Stütze der hier beschriebenen hydropneumatischen Querfederung zu verlagern.
Mit "Y/U" näher bezeichnet, ist an der Kolbenstange 4 auch ein Weggeber 11 vorgesehen, der jede Querbewegung des Mitnehmers 3 bzw. der Kolbenstange 4a und/oder 4b (also in Y-Richtung, wenn die Fahrtrichtung die X- und die Höhe de Z-Richtung ist) in ein Spannungssignal U umsetzt. Der hier nur der Übersichtlichkeit halber herausgezeichnete Weggeber 11 wird vorzugsweise in den hydraulischen Antrieb integriert. Sein elektrisches Bewegungs- oder Stellungssignal wird einem Regler 12 als Ausgangs- oder Istgröße der Querverschiebung des Wagenkastens zugeführt. Das Regle-Ausgangssignal wiederum gelangt an einen mit verschiedenen Ventilen (Fig. 2) bestückten hydraulischen Steuerblock 13. Dieser ist hydraulisch zwischen die Leitungen 7 und 8 und eine Hochdruckpumpe 14 nebst einem Rücklauf 15 und Hydraulikreservoir 16 geschaltet. Die Pumpe ist z. B. für einen Lieferdruck von 210 bar auszulegen.
Der Regler 12 ist für eine aktive Beeinflussung der kraftneutralen Mittellage der Querfederung vorgesehen, wie später noch näher erörtert wird. Bei Bedarf kann er auch weitere Eingänge für druckanaloge Signale haben, mit denen der hydraulische Systemdruck in den Systemzweigen A und B durch geeignete -hier nicht gezeigte- Drucksensoren übermittelt wird.
Zur Ergänzung der Querfederung um eine weitere Funktion kann noch ein weiterer Regler 17 vorgesehen werden, dessen Ausgangssignal -selbstverständlich über Verstärker- die beiden Ventile V1 und V2 zu steuern hat. Wie hier durch die Schaltsymbole angedeutet ist, kann mit dieser Einrichtung durch Ventilbetätigung die hydraulische Dämpfung der Kolbenstangenbewegung einstufig oder auch proportional geändert werden, indem von der gezeigten Ruhestellung, in der die Ventile V1 und V2 ohne Drosselwirkung sind, in einem oder mehreren Schritten auf eine stärkere Drosselung des Durchflusses zwischen den Arbeitskammern der Antriebe 5 und 6 und den Speicherelementen 7 und 8 umgeschaltet wird.
Die Ventile V1 und V2 werden normalerweise stets gemeinsam gesteuert. Prinzipiell könnte die Einrichtung auch mit nur einem dieser Ventile arbeiten, da der andere Systemzweig über die Kolbenstangen 4a und 4b zwangsgekoppelt ist.
Der Dämpfungsgrad wird dabei in Abhängigkeit von der Fahrgeschwindigkeit, der Fahrzeug-Zuladung und der Streckensituation (Gerade oder Bogen), ggf. entsprechend der gegebenen Gleislage, eingeregelt. Eingangssignale dieses Reglers 17 können neben dem Weg (Y/U) der Kolbenstangen deren Geschwindigkeit dy/dt und Beschleunigung d2y/dt2 sein, ggf. auch gespeicherte oder vom Fahrweg abgelesene Streckendaten (Gleisradien, Gleisqualität).
Wie man in Fig. 2 erkennt, umfaßt der Steuerblock 13 vorzugsweise ein Proportional-Steuerventil 18, dessen Stellungen vom Regler 12 einstellbar sind. Es beherrscht die Verbindungen zwischen den beiden Systemzweigen A, B einerseits und dem Pumpenanschluß P und dem Rücklaufanschluß T andererseits.
In seiner nicht aktivierten Ruhestellung (z. B. bei Geradeausfahrt) sind die besagten Verbindungen geschlossen. Diese Stellung stellt sich selbsttätig auch bei einem Ausfall der elektronischen Steuerung ein. Wenn hingegen bei aktiviertem Steuerventil ein Systemzweig mit der Pumpe verbunden ist, kann gleichzeitig aus dem anderen Systemzweig Druck zum Rücklauf hin abgebaut werden.
Getrennt für jeden Systemzweig ist dem Steuerventil 18 ein Rückschlagventil 19 und anti-parallel dazu ein druckschaltbares Stützventil 20 (vom Eingangsdruckgeschaltet; funktionell ein Druckbegrenzer) mit einstellbarer Schaltschwelle nachgeschaltet, wobei das jeweilige Rückschlagventil Hydraulikflüssigkeit nahezu ungehindert von der Pumpe 14 in den nachgeschalteten Systemzweig einströmen läßt, während das Stützventil eine Strömung vom Systemzweig zum Rücklauf nur oberhalb eines vorbestimmbaren Druckniveaus im Systemzweig ermöglicht. Schon mit dieser Anordnung wird verhindert, daß das Druckniveau in den beiden Systemzweigen unter einen zulässigen Mindestwert abfällt.
Parallel zu den Stützventilen 20 ist zusätzlich eine Druckhalteeinrichtung 21 (vom Ausgangsdruck geschaltet; z. B. ein Druckreduzierventil) direkt zwischen den Zulauf P und beide Systemzweige A, B geschaltet, über die bei laufender Pumpe bzw. anstehendem Hochdruck ständig ein Mindestüberdruck in beide Systemzweige geliefert wird. Durch Rückschlagventile 22 wird eine Rückströmung über diese Leitung verhindert, die sonst durch systemzweigseitige dynamische Druckspitzen oberhalb des Lieferdrucks verursacht werden könnte. Auch stellen die Rückschlagventile 22 die Trennung der beiden Systemzweige sicher.
Schließlich umfaßt der Steuerblock 13 noch ein zwischen den beiden Systemzweigen A und B angeordnetes Kurzschlußventil 23, das in seiner Ruhestellung geschlossen ist, jedoch in Arbeitsstellung einen gedrosselten direkten Druckausgleich zwischen den beiden Systemzweigen ermöglicht. Dieses Ventil wird bei Geradeausfahrt aktiviert, um die Querfedersteifigkeit weiter zu vermindern.
Im folgenden wird die Funktion des Reglers 12 und des Steuerblocks 13 gemäß dem erfindungsgemäßen Steuerverfahren kurz umrissen:
Die Regelung folgt einem vorgegebenen gewünschten Mittelwert ysoll der Wagenkastenquerbewegung y als Eingangssignal bzw. Führungsgröße, der von einem nicht dargestellten Sollwertgeber erzeugt wird. Bei Geradeausfahrt ist der gewünschte Mittelwert gleich null, d. h. der Wagenkasten soll nach Möglichkeit nicht aus der zentrierten Mittellage ausweichen. Dynamische Querschwingungen kleiner Amplituden werden durch die nicht dargestellten Sekundärfedern sowie durch die hydropneumatischen Speicherelemente 9 und 10 mit niedriger Federsteifigkeit und bedarfsgerechter Dämpfung abgefedert. Im Gleisbogen ist der gewünschte Mittelwert ysoll hingegen von der aktuellen Querbeschleunigung und dem Lichtraumprofil abhängig. Letzteres schränkt bekanntlich außer dem statischen Fahrzeugumriß auch die erlaubte Querauslenkung des Wagenkastens ein, um Kollisionen mit nahe dem Gleis befindlichen Gegenständen bzw. mit Fahrzeugen im Nachbargleis zu verhindern.
Der Regler hat solche Regelabweichungen zwischen ysoll und y zu minimieren, die über einen vordefinierten Schwellwert hinausgehen. Der Schwellwert muß natürlich größer sein als die Amplitude der erwähnten dynamischen Querschwingungen. Durch die Rückführung des Wertes y zum Regler wird sichergestellt, daß die maximal zulässige Seitenabweichung des Wagenkastens nicht überschritten werden kann.
Die Regelung arbeitet mit der Erhöhung des hydraulischen Systemdrucks in einem der Systemzweige bzw. einem der beiden kommunizierenden Paare von Arbeitskammern. Zu diesem Zweck wird das Steuerventil 18 im Steuerblock 13 so geschaltet, daß die Hochdruckpumpe 14 den entsprechenden Systemzweig beliefern kann. Sollte dabei im anderen Systemzweig der Druck über die Schaltschwelle des jeweiligen Druckregulierventils ansteigen, so wird sich dieses zum Rücklauf hin öffnen.
Sollen sich z. B. die Kolbenstangen 4a/4b nach rechts bewegen, um die Istgröße y dem Sollwert nachzuführen, so muß die Pumpe 14 mit dem Systemzweig B bzw. der Leitung 8 verbunden werden.
Um dabei eine übermäßige Druckerhöhung im Speicherelement 10 zu verhindern, wird gleichzeitig die Leitung 7 mit dem Rücklauf verbunden. Da sich der Wagenkasten in Querrichtung auch nach dem Querverschub weiterhin auf die weichen Speicherelemente 9 und 10 abstützt, bleibt aber die effektive Steifigkeit der Querfederung relativ weich, wenn auch wegen der Erhöhung des Systemdrucks nicht so weich wie bei Geradeausfahrt. Bei einer Kolbenstangenbewegung nach links wird der Ablauf umgekehrt.
Ein bedeutender Effekt der Querverlagerung des Mitnehmers ist -wie an sich bekanntderen Einfluß auf die Höhe des Wankpols, wenn das Fahrzeug mit einer aktiven Neigeeinrichtung ausgestattet ist. Gegenüber einem System mit in Querrichtung nur im Umfang des Federspiels beweglichem Mitnehmer und entsprechend niedriger Wankpolhöhe wird durch die erfindungsgemäß mögliche Verschiebung des Mitnehmers nach bogenaußen die Wankpolhöhe merklich vergrößert. Das ist auch anzustreben, damit die Fahrgäste die aus der aktiven Neigung resultierenden Querbewegungen nicht so deutlich wahrnehmen. Bevorzugt sollte der Wankpol also in Höhe der Passagiersitze liegen.