Verfahren und Einrichtung zur Radsatzführung von Schienen-Fahrzeugen

Abstract

 Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie dazugehörige Einrichtungen zur Radsatzführung von Schienenfahrzeugen, insbesondere zur Gewährleistung der Laufstabilität der Fahrzeuge im Hochgeschwindigkeitsverkehr, bei denen die Radsätze in Führungsrahmen rechtwinklig zueinander ausgerichtet und definiert steif und unverschieblich statisch geführt sowie solche, bei denen zur Verbesserung des Bogenlaufes quasistatische radiale Radsatzstellungen vorgegeben sind.
Erfindungsgemäß wird das Problem der Realisierung eines in allen Fahrzuständen stabilen Radsatzlaufes dadurch gelöst, indem die vorgegebene Radsatzstellung durch eine aktive Radsatzsteuerung von einem veränderlichen Stellwinkel ψ_St überlagert wird, der bei mehreren Radsätzen (3,3') sowohl gleich- als auch gegensinnig gerichtet sein kann.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie dazugehörige Einrichtungen zur Radsatzführung von Schienenfahrzeugen, insbesondere zur Gewährleistung der Laufstabilität der Fahrzeuge im Hochgeschwindigkeitsverkehr, bei denen die Radsätze in Führungsrahmen rechtwinklig zueinander ausgerichtet und definiert steif und unverschieblich statisch geführt sowie solche, bei denen zur Verbesserung des Bogenlaufes quasistatische radiale Radsatzstellungen vorgegeben sind.

[0002] Es sind Fahrwerke für den Hochgeschwindigkeitsverkehr (GDS 300, Eisenbahningenieur 45 (1994) 10 Seite 722) bekannt, bei denen die Laufstabilität im Gleis durch das Zusammenwirken von definiert steif und unverschieblich geführten, rechtwinklig zueinander im Führungsrahmen ausgerichteten Achsen mit einer Drehhemmung zwischen Führungsrahmen und Wagenkasten erreicht wird.

[0003] Dieser Lösung haftet der Nachteil an, daß diese Art der Streckung des Sinuslaufes zu einer starken Ankopplung zwischen Fahrwerk und Wagenkasten und damit zu einer Schwingungsanregung des Wagenkastens führt, die nur durch aufwendige konstruktive Maßnahmen eingegrenzt werden kann.

[0004] Desweiteren weisen Fahrwerke mit steifer Achsführung in engen Bögen einen höheren Fahrwiderstand sowie einen überdurchschnittlichen Verschleiß der Radprofile auf.

[0005] Andere Fahrwerke für den Hochgeschwindigkeitsverkehr (Beispiel TGV, Elektrische Bahnen 90 (1992) 5 Seiten 176 bis 179) ergänzen diese Maßnahmen durch die Verwendung eines größeren Achsstandes und durch den Einsatz von Gliederzügen mit Jakobsdrehgestellen. Hierbei ist von Nachteil, daß der längere Achsstand die Bogenlauffähigkeit verschlechtert, die Drehgestellrahmenmasse erhöht sowie unter dem Wagenkasten einen zusätzlichen Raumbedarf erfordert. Der größere Raumbedarf verstärkt insbesondere bei Doppelstock- Fahrzeugen die Nachteile kürzerer Wagenkästen.

[0006] Gliederzüge mit Jakobsdrehgestellen führen in der Praxis wegen der Achslastbegrenzung zu kürzeren Wagenkästen und damit entweder zur Verringerung des Sitzplatzanteils oder zur Verringerung bzw. Verkleinerung der Übergangs- und Einstiegbereiche. Diese Züge können auch nur in Werksanlagen getrennt werden. Deshalb ist eine verkehrsgerechte Anpassung der Zuglängen aufwendig.

[0007] Auch fällt bei relevanten Störungen an einem Wagen der gesamte Zug aus.

[0008] Als zusätzliche Maßnahmen zur Erhöhung der Laufstabilität werden ganz allgemein auch Dämpfungen zwischen Radsatz und Führungsrahmen angewendet, wobei die Verringerung der am Bewegungsverhalten beteiligten Massen und Kräfte angestrebt wird.

[0009] Die praktischen Einflußmöglichkeiten sind aber hier eher gering.

[0010] Nach der DE 31 23 858 führt der gleichphasige Radsatzsinuslauf zuerst zu instabilem Laufverhalten des Fahrwerkes. Die Radsätze vollführen eine kombinierte Quer- und Wendebewegung um ihre jeweilige Hochachse. Der gegenphasige Radsatzlauf, welcher bei der gleichen Frequenz wie der gleichphasige Radsatzlauf auftreten kann, ist dagegen deutlich höher gedämpft. Durch die gegensinnige Kopplung der Radsätze wird ihre gleichsinnige Auslenkung verhindert und das Laufverhalten sowohl im geraden Gleis als auch im Bogen verbessert. Hierbei ist von Nachteil, daß mit dieser Lösung nur eine begrenzte Anhebung der kritischen Geschwindigkeiten möglich ist, die für den Hochgeschwindigkeitsverkehr nicht ausreicht.

[0011] Weiterhin sind Fahrwerke bekannt, bei denen zur Verbesserung des Bogenlaufes die Radsätze im Bogen innerhalb des Führungsrahmen quasistatisch bogenradial eingestellt werden, wobei direkt auf die elastischen rahmenseitigen Achslenkerlager wirkende äußere Kräfte das radiale Ausdrehen der Radsätze erzwingen (DE 42 40 098) oder Zylinder- Hebel- Systeme die Stellung des Radsatzes so bestimmen, daß sich ein nach Richtung und Krümmung der Kurve vorbestimmter Radsatzausdrehwinkel einstellt (DE 30 04 082). Nachteilig ist hierbei, daß diese Fahrwerke auf Grund der vorhandenen und bei diesen Lösungen auch nicht vermeidbaren Elastizitäten bereits frühzeitig zu instabilem Fahrzeuglauf neigen und damit für den Hochgeschwindigkeitsverkehr nicht einsetzbar sind.

[0012] Alle vorhandenen Einrichtungen zur quasistatischen Veränderung der Radsatzstellung reagieren relativ träge und sind deshalb für eine aktive Beeinflussung des Radsatzwellenlaufes nicht geeignet.

[0013] Der im Patentanspruch angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, in Vermeidung der voranbeschriebenen Nachteile ein Verfahren und Einrichtungen zur Steuerung von Fahrwerken zu schaffen, welche in allen Fahrzuständen einen stabilen Radsatzlauf und durch Kraftentkopplung zwischen Fahrwerk und Wagenkasten eine hohe Laufgüte ermöglichen.

[0014] Die Aufgabe wird durch die Merkmale der Hauptansprüche gelöst. Durch die Maßnahme, die vorgegebene statische oder quasistatische Radsatzstellung mit einem veränderlichen Stellwinkel ψ_St zu überlagern, der durch aktive Krafteinwirkungen innerhalb des Fahrwerkes zwischen Radsatz und Führungsrahmen entsteht, wird die von der Berührungsgeometrie bestimmte Bahnkurve des Radsatzes verändert und Gleisbogenabweichungen sowie Änderungen in der Berührungsgeometrie ausgesteuert, ohne daß die Grundsteifigkeit der Führung erheblich beeinträchtigt wird. Frequenz und Abklingverlauf der Ausschlagamplitude können im gesamten Geschwindigkeitsbereich mit geringer Leistung auf ein stabiles Laufverhalten abgestimmt werden. Das Verfahren kann ohne wesentlichen Mehraufwand redundant ausgeführt werden. Eine Drehhemmung zwischen Fahrwerk und Wagenkasten ist nicht mehr erforderlich, kann aber ebenfalls als Rückfallebene vorgesehen werden. Der Stellwinkel ψ_St ist klein gegenüber dem quasistatischen Ausdrehwinkel von Radsätzen mit radialer Einstellung in kleinen und mittleren Bögen und kann diesem ebenfalls überlagert werden, wenn die erforderliche Gesamtsteifigkeit der Achsführung gegeben ist. Seine Richtung, Größe und Frequenz wird aus den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 2 genannten Steuergrößen und durch die Fahrgeschwindigkeit bestimmt.

[0015] Die Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung liegen insbesondere darin, daß die Stabilität und Güte des Fahrzeuglaufs bei Beibehaltung der bewährten Radsatzkonstruktion theoretisch unbegrenzt bis in den Höchstgeschwindigkeitsbereich ohne Sicherheitsverluste gewährleistet wird.

[0016] Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigen die Zeichnungen in

Fig. 1:

eine prinzipielle Darstellung eines Schienenfahrzeuges in einer beliebigen Stellung im geraden Gleis oder in großen Bögen mit den entsprechenden Winkeln

Fig. 2:

eine prinzipielle Darstellung eines Schienenfahrzeuges im Gleisbogen mit den entsprechenden Winkeln

Fig. 3:

eine Einrichtung zur Erzeugung des Stellwinkels ψ_St der Radsätze mit Exzenterwelle und Schwingarm

Fig. 4:

eine Einrichtung zur Erzeugung des Stellwinkels ψ_St der Radsätze mit Zweikammer- Fluidbuchsen und Schwingarm

Fig. 5:

eine Einrichtung zur Erzeugung des Stellwinkels ψ_St der Radsätze mit Führungsspindeln und Zweikammer- Fluidbuchsen

Fig. 6:

eine Einrichtung zur Erzeugung des Stellwinkels ψ_St der Radsätze mit Doppelfederblatt- Radsatzlenkern

[0017] Aus der Fig. 1 ist der Wagenkasten 1 eines Schienenfahzeuges ersichtlich, welcher gegenüber der Gleisachse x um den Winkel ψ_K ausgedreht und gegenüber dem Führungsrahmen 2 um das Maß w querverschoben ist. Der Führungrahmen 2 ist selbst gegenüber der Gleisachse x um den Winkel ψ_D ausgedreht. Die Ausdrehung ψ_AD des Führungsrahmens 2 zum Wagenkasten 1 ergibt sich als Differenz beider Ausdrehungen. Die ohne äußere Kraftwirkung senkrecht zur Längachse des Führungsrahmens 2 ausgerichteten Radsätze 3, 3' sind durch eine aktive Steuerung jeweils um den veränderlichen Winkel ψ_St3,3' gegenüber diesem ausgedreht. Ebenso kann der Ausdrehwinkel ψ_AR benutzt werden, der sich als Differenz der Ausdrehung der Radsätze 3, 3' zum Gleis und der des Wagenkastens 1 zum Gleis ergibt.

[0018] Die Fig. 2 zeigt den Wagenkasten 1 im Gleisbogen, wobei der Führungsrahmen 2 tangential zum Bogen ausgedreht ist. Die Radsätze 3, 3' sind bereits durch äußere Kräfte mit den Winkeln -ψ_B3 und ψ_B3, bogenradial eingestellt und werden durch eine aktive Steuerung zusätzlich durch die veränderlichen Winkel -ψ_St3' und -ψ_St3 ausgedreht.

[0019] Die Fig. 3 bis 6 stellen mögliche Ausführungsvarianten der aktiven Steuerung des Stellwinkels ψ_St zu Beeinflussung des Radsatzwellenlaufes dar. Hierbei wurde auf die gerätetechnische Ausführung zur Ermittlung der Steuergröße für den Stellwinkel ψ_St (Meßwertaufnehmer für ψ_AD oder/ und ψ_AR, Auswerteeinheit), die mit an sich bekannten technischen Lösungen realisierbar ist, verzichtet.

[0020] Aus der Fig. 3 ist eine Einrichtung ersichtlich, mit der ein durch einen Schwingarm 4 statisch oder guasistatisch im Führungsrahmen 2 gehaltener Radsatz 3 mit dem veränderlichen Stellwinkel ψ_St beaufschlagt werden kann. Der Führungrahmen 2 ist auf dem Achslagergehäuse 5 des Radsatzes 3 gefedert abgestützt. Das Achslagergehäuse 5 besitzt einen Schwingarm 4 mit einer elastischen Buchse 6, die über Exzenter 7 und Exzenterwelle 8 im Schwingarmlager 9 gelagert ist. Eine Stellvorrichtung 10, beispielsweise ein Hydraulikzylinder, verändert über den Exzenterhebel 11 die Anschlußlänge L des Schwingarmes 4 gegenüber dem Führungsrahmen 2 um ± ΔL.

[0021] Die Fig. 4 zeigt eine weitere Einrichtung, die durch Verwendung einer Zweikammer- Fluidbuchse 12 im Schwingarm 4 den Stellwinkel ψ_St erzeugt. Der Führungsrahmen 2 stützt sich auf dem Achslagergehäuse 5 ab. Das Achslagergehäuse 5 besitzt ebenfalls den Schwingarm 4, aber ausgerüstet mit einer elastischen Zweikammer- Fluidbuchse 12, deren Kammern 13, 13' über die Anschlüsse 14, 14' wechselseitig mit Fluid beaufschlagt werden können und so eine Änderung der Anschlußlänge L des Schwingarmes 4 gegenüber dem Führungsrahmen 2 um den Betrag ± ΔL bewirken.

[0022] Fig. 5 variiert Fig. 4 derart, daß statt eines Schwingarmes 4 Führungsspindeln 15 mit Zweikammer- Fluidbuchsen 12, 12' zur Radsatzführung benutzt werden. Hierbei ist der Führungsrahmen 2 wiederum auf dem Achslagergehäuse 5 des Radsatzes 3 gefedert abgestützt. Zwischen den senkrechten Führungsspindeln 15 des nicht näher dargestellten Führungsrahmens 2 und dem Achslagergehäuse 5 befinden sich je 2 Zweikanmer- Fluidbuchsen 12, 12', deren Kammern 13, 13' über die Anschlüsse 14, 14' wechselseitig mit Fluid beaufschlagt werden und so einen Mittenversatz ± ΔL des Achslagergehäuses 5 zu den Führungsspindeln 15 bewirken.

[0023] In der Fig. 6 ist eine Einrichtung dargestellt, welche die Möglichkeit aufweist, den Stellwinkel ψ_St mit einem Doppelfederblatt- Radsatzlenker 17 zu erzeugen. Wiederum ist der Führungsrahmen 3 auf dem Achslagergehäuse 5 des Radsatzes 3 gefedert abgestützt. Der Führungsrahmen 2 und das Achslagergehäuse 5 besitzen Lager 16, 16', die mit den gegensinnig gekröpften Federblatt- Radsatzlenkern 17', 17'' miteinander verbunden sind. Sie sind in ihrem gekröpften Mittelbereich durch eine Stellvorrichtung 10 verbunden, die bei Betätigung den Abstand A der Lenker 17', 17'' in diesem Bereich um ΔA verändert und damit eine Änderung der Länge L um ± ΔL bewirkt.

[0024] Die erfindungsgemäße Lösung arbeitet wie folgt:

[0025] Mit Meßwertaufnehmern und einer Auswerteeinheit wird die aktuelle Winkelstellung ψ_AD des Führungsrahmens 2 zum Wagenkasten 1 und/ oder die Stellung ψ_AR der Radsätze 3, 3' zum Wagenkasten 1 ermittelt und gleichzeitig der Radsatzsinuslauf als Maß für die Stabilität analysiert. In Abhängigkeit von diesen Stellungen und der Art und Frequenz des Sinuslaufes wird ein Signalerzeuger aktiviert, der über Steuergrößenerzeuger und über Stellelemente (Fig. 3 bis 6) zwischen Führungsrahmen 2 und Achlagergehäuse 5 jede Radsatzstellung mit einem Stellwinkel ψ_St so überlagert, daß eine Streckung des Sinuslaufes bewirkt wird.

[0026] In Fig. 1 ist ein gleichgerichteter Sinuslauf der Radsätze 3, 3' im geraden Gleis bzw. großen Bögen dargestellt, der durch ebenfalls gleichgerichtete Stellwinkel -ψ_St so überlagert wird, daß der Radsatzlauf gestreckt wird. Ein gegensinniger Sinuslauf kann ebenfalls in diesem Sinne ausgesteuert werden. Zweckmäßig ist jedoch, den gegensinnigen Sinuslauf bereits in der Entstehungsphase aktiv zu unterbinden und dem System einen gleichgerichteten Sinuslauf aufzuzwingen.

[0027] In kleinen Bögen, dargestellt in Fig. 2, sind abweichend zur Fig. 1 die Radsätze 3, 3' zum Führungsrahmen 2 quasistatisch bogenradial eingestellt. Bei hohen Fahrgeschwindigkeiten über der Ausgleichsgeschwindigkeit werden diese Stellungen durch gleichgerichtete Stellwinkel -ψ_St überlagert, die die Anlaufwinkel bogenaußen minimieren und Instabilitäten vermeiden. Bei kleinen Geschwindigkeiten unterhalb der Ausgleichsgeschwindigkeit wird am Radsatz 3 weiterhin ein negativer und am Radsatz 3' ein positiver Stellwinkel ψ_St überlagert.

Bezugszeichenliste

[0028] 

1

Wagenkasten

2

Führungsrahmen

3, 3'

Radsätze

4

Schwingarm

5

Achslagergehäuse

6

elastische Buchse

7

Exzenter

8

Exzenterwelle

9

Schwingarmlager

10

Stellvorrichtung

11

Exzenterhebel

12, 12'

Zweikammer- Fluidbuchsen

13, 13'

Kammern

14, 14'

Anschlüsse

15

Führungsspindeln

16, 16'

Lager

17, 17',17''

Doppelfederblatt- Radsatzlenker

ψ_K

Ausdrehwinkel des Wagenkastens

ψ_D

Ausdrehwinkel des Führungsrahmens zur Gleisachse

ψ_R

Ausdrehwinkel der Radsätze zur Gleisachse

ψ_AD

Ausdrehwinkel des Führungsrahmens zum Wagenkasten

ψ_AR

Ausdrehwinkel der Radsätze zum Wagenkasten

ψ_St

Stellwinkel der Radsätze

ψ_B

Ausdrehwinkel der Radsätze zum Führungsrahmen (Bogenradiale Stellung)

A

Abstand

w

Querversatz des Wagenkastens zum Führungsrahmen

x

Gleisachse

Ansprüche

1. Verfahren zur Radsatzführung von Schienenfahrzeugen mit im Führungsrahmen vorgegebener statischer oder quasistatischer Radsatzstellung, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgegebene Radsatzstellung durch eine aktive Radsatzsteuerung von einem veränderlichen Stellwinkel ψ_St überlagert wird, der bei mehreren Radsätzen (3,3') sowohl gleich- als auch gegensinnig gerichtet sein kann.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Steuergröße des Stellwinkels ψ_St die jeweils gegenüber dem Wagenkasten (1) gemessenen Ausdrehwinkel ψ_AD der Führungsrahmen (2) oder/ und ψ_AR der Radsätze oder deren jeweilige Ableitung nach der Zeit verwendet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß in ihrer Länge verstellbare oder in einem Anlenkpunkt verschiebbare Radsatzlenker (17) bei Ausfall der aktiven Steuerung eine laufstabile Endstellung im Führungsrahmen (2) einnehmen und eine Drehhemmung zwischen dem Wagenkasten (1) und dem Führungsrahmen (2) und/ oder den Radsätzen (3,3') wirksam wird.

4. Einrichtung zur Radsatzführung von Schienenfahrzeugen mit in Führungsrahmen vorgegebener statischer oder quasistatischer Radsatzstellung, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Steuerung aus den Meßwertaufnehmern, der Auswerteeinheit und einer schnell reagierenden, die Steifigkeit der Radsatzführung nicht wesentlich beeinträchtigenden Stellvorrichtung besteht.

Zeichnung