[0001] Schienenfahrzeug mit variabler Achsgeometrie.
Technisches Gebiet
[0002] Die Erfindung betrifft ein Schienenfahrzeug mit variabler Achsgeometrie.
Stand der Technik
[0003] Die zur Spurführung erforderlichen Kräfte entstehen im Kontaktbereich von Rad und
Schiene, dem Rad-Schiene Kontakt. Diese Kräfte sind allerdings auch für negative Effekte
an den Schienen und Rädern verantwortlich. So verursachen Tangentialkräfte, die immer
mit Gleiteffekten und somit mit Reibleistungen verbunden sind, Profilverschleiß durch
Materialabtrag. Weiters ermüden die an Rad und Schiene angreifenden Kräfte bei genügend
hohem Kraftniveau den Werkstoff, es kommt zur Rollkontaktermüdung (Rolling Contact
Fatigue, RCF). Dadurch entstehen z.B. feine Risse in der Schiene und/oder im Rad.
Eine typische dadurch verursachte Schadensform an der Schienenoberfläche stellen Head
Checks dar. Im Rad können Risse unter der Oberfläche entstehen, nach außen wachsen
und zu größeren Ausbröckelungen führen. Die Risse können aber auch an der Oberfläche
entstehen, in die Tiefe wachsen und ebenfalls zu Materialausbrüchen führen, wie es
z.B. beim bekannten Phänomen des Fischgrätmusters geschieht. Bei oberflächeninitierten
Rissen gibt es den Effekt, dass die Anrisse zum Teil durch den erwähnten Profilverschleiß
wieder entfernt werden woraus folgt, dass ein gewisses Maß an Profilverschleiß mitunter
erwünscht sein kann. Neben den erwähnten Laufflächenschäden treten noch eine Reihe
weiterer Schadensformen wie z.B. Flachstellen, Materialauftragung, Laufflächenquerrisse
usw. auf.
[0004] Dem Rad-Schiene Kontakt kommt daher, beispielsweise auch bei Hochgeschwindigkeitszügen,
eine besondere sicherheitsrelevante Bedeutung zu. Unregelmäßigkeiten am Rad-Schiene
Kontakt, beispielsweise durch schwere Beschädigung eines Rades, können zu erheblichen
Folgeschäden bis hin zum Entgleisen führen. Aber auch leichte Beschädigungen wie feine
Risse können große Schwierigkeiten verursachen, da sie Instandhaltungsarbeiten erforderlich
machen und somit hohe Kosten und Verspätungen im Zugverkehr verursachen können.
[0005] Es sind daher eine Reihe mechanischer Vorrichtungen zur Spurführung eines Schienenfahrzeuges
bekannt. Viele der bekannten Systeme gehen davon aus, dass bei Bogenfahrten die Radialstellung
der Räder im Gleis optimal ist, um die auf die Losradsätze oder Radsätze eines Fahrwerks
oder Fahrzeugs wirkenden Kräfte zu reduzieren. Dadurch, wird argumentiert lassen sich
die Reibleistung und damit auch der Profilverschleiß im Rad-Schienekontakt verringern.
[0006] Beispielsweise beschreibt die
EP 0 600 172 A1 ein Fahrwerk für Schienenfahrzeuge, bei dem die Radsätze bei Bogenfahrten mittels
kraftgeregelter Stellglieder gegen den Drehgestellrahmen ausgedreht werden. Dabei
wird aber keine Radialstellung der Radsätze relativ zum Gleis realisiert, sondern
nur der Winkel zwischen Radsatz und Fahrwerksrahmen entsprechend der Radialstellung
eingestellt. Damit stellt sich zwar in vielen Betriebszuständen ein günstiges Verschleißverhalten
ein, jedoch entspricht dieses nicht dem Optimum.
[0007] Die
DE 44 13 805 A1 offenbart ein selbstlenkendes dreiachsiges Laufwerk für ein Schienenfahrzeug, bei
dem die äußeren beiden Radsätze mit einer Radialsteuerung versehen sind und der innere
Radsatz durch ein aktives Stellglied quer zur Fahrtrichtung beweglich ist. Dadurch
werden die Seitenkräfte auf die Außenradsätze vermindert - bei geeigneter Beaufschlagung
des aktiven Stellgliedes wirkt auf jeden Radsatz ein Drittel der Fliehkraft. Damit
werden alle drei Radsätze zur Steuerung bei Kurvenfahrt herangezogen, die Ausrichtung
der Radsätze zur Bogenmitte wird verbessert.
[0008] Ein weiteres Verfahren dieser Art findet sich in der
EP 1 609 691 A1 der Anmelderin.
[0009] Allen diesen Verfahren ist gemein, dass sie darauf abzielen, die Reibleistung im
Rad-Schiene Kontakt und somit den Profilverschleiß zu minimieren. Bei diesen Verfahren
wird die Stellung der Räder relativ zum Gleis so beeinflusst, dass Gleiteffekte im
Kontaktpunkt vermieden bzw. minimiert werden. Allerdings kommt es auch durch Rollkontaktermüdung
zu Schäden an Schiene und Rad. Zur Behebung dieser Schäden kann ein gewisses Maß an
Reibleistung durchaus erwünscht sein, da entstandene Risse im Material dadurch an
der Oberfläche abgetragen werden können. Ein Minimum an Reibleistung entspricht daher
also nicht immer einem optimalen Belastungsverhältnis im Rad-Schiene Kontakt.
[0010] Aus der nicht vorveröffentlichten Anmeldung A942/2007 "Verfahren zur Minimierung
von Laufflächenschäden und Profilverschleiß von Rädern eines Schienenfahrzeugs" der
Anmelderin beim österreichischen Patentamt ist ein modellbasiertes Verfahren zur Optimierung
des Verschleißverhaltens von Schienenfahrzeugrädern bekannt. In diesem Verfahren wird
mittels aktuatorgesteuerter Verschiebung (Querverschiebung der Losradsatz- bzw. Radsatzachsen
oder Winkelschiebung zwischen den Achsen) auf Basis von ermittelten Meßgrößen der
Laufflächenverschleiß optimiert.
Dabei sind verschiedene Fahrwerksgeometrien vorgesehen, welche die Winkel- und Querverschiebung
der Achsen ermöglichen. Die dazu erforderlichen sogenannten Queraktuatoren erschweren
die Konstruktion des Fahrwerks außerordentlich.
Darstellung der Erfindung
[0011] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Schienenfahrzeug mit variabler
Achsgeometrie anzugeben, welches beliebige, mittels eines modellbasierenden Verfahrens
bestimmte Lagen (Winkellage und Querverschiebung) der Achsen zueinander während der
Fahrt des Schienenfahrzeugs einstellen kann und der dazu benötigte Aufwand an Aktuatoren
minimiert wird.
[0012] Die Aufgabe wird durch ein Schienenfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und
einem Drehgestell mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen
der Erfindung sind Gegenstand abhängiger Ansprüche.
[0013] Dem Grundgedanken der Erfindung nach wird jede Achse eines Schienenfahrzeugs horizontal
winkelverschiebbar gegenüber dem Fahrzeugrahmen gelagert und kann mittels eines zugeordneten
Aktuators während des Betriebs des Schienenfahrzeugs kontinuierlich und unabhängig
von den anderen Achsen in ihrer horizontalen Winkellage verändert werden, wobei die
Winkellage jeder Achse von einem Optimierungsverfahren vorgegeben wird.
[0014] Das erfindungsgemäße Schienenfahrzeug, bzw. das erfindungsgemäße Drehgestell eignen
sich besonders vorteilhaft für die Umsetzung des in der nicht vorveröffentlichten
Anmeldung A942/2007 beschriebenen Verfahrens zur Optimierung des Verschleißverhaltens,
da der konstruktive Aufwand durch gegenständliche Erfindung sehr vereinfacht wird.
Besonders wesentlich ist der Entfall eines konstruktiv äußerst aufwendigen sogenannten
"Queraktuators". Ebenso ermöglicht die gegenständliche Erfindung den Einsatz konstruktiv
einfacher Aktuatoren (beispielsweise Hydraulik-oder Pneumatikzylinder oder elektrische
Aktuatoren). Das in A942/2007 beschriebenen Verfahren liefert als Ausgangsgrößen die
Winkellage dα zwischen zwei Achsen und die sogenannte Querverschiebung dx. Diese beiden
Größen können mit einem Schienenfahrzeug gemäß der gegenständlichen Erfindung ausschließlich
durch das Einstellen bestimmter horizontaler Winkel der Achsen zum Fahrzeugrahmen
eingestellt werden, wodurch ein ruhiger Lauf des Schienenfahrzeugs und ein optimiertes
Verschleißverhalten der Räder erzielt wird.
[0015] Mit gegenständlicher Erfindung wird der Vorteil erreicht, dass jeweils optimale Werte
der Winkellage dα und Querverschiebung dx eingestellt werden können, wobei ausschließlich
der horizontale Winkel jeder Achse zum Fahrzeugrahmen als variabel vorzusehen ist.
Insbesonders ermöglicht die vorliegende Erfindung den Entfall der konstruktiv sehr
aufwendigen Queraktuatoren.
Die erfindungsgemäße sogenannte asymmetrische Ansteuerung ermöglicht es mittels der
asymmetrischen Aufteilung des Winkels dα zwischen zwei Achsen auf zwei unterschiedliche
Winkel α1 und α2 die gezielte Einstellung der Querverschiebung dx vorzunehmen ohne
für die Querverschiebung einen Aktuator vorsehen zu müssen.
[0016] Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, einen Festpunkt (vertikaler
Drehpunkt) jeder Achse an einem Ende der Achse vorzusehen und einen Aktuator, welcher
am anderen Ende der Achse angreift zuzuordnen. Dieser Aktuator ist erfindungsgemäß
an einer Seite an einem festen Punkt des Fahrzeugrahmens gelagert befestigt und an
einer zweiten Seite an der horizontal winkelverschiebbaren Lagerung der zugeordneten
Achse des Schienenfahrzeugs befestigt. Somit gelingt es, mittels Modulation der Länge
des Aktuators beliebige horizontale Winkelstellungen jeder Achse zu erzielen.
[0017] Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass an aufeinanderfolgenden
Achsen die ihnen zugeordneten Aktuatoren abwechselnd an gegenüberliegenden Enden der
Achsen angreifen, sodass beispielsweise auf eine Achse, deren Aktuator auf einer Seite
des Schienenfahrzeugs angeordnet ist, eine Achse deren Aktuator auf der gegenüberliegenden
Seite des Schienenfahrzeugs angeordnet ist, folgt. Dadurch ist der Vorteil erzielbar,
den im Fahrwerk des Schienenfahrzeugs vorhandenen Platz optimal ausnützen zu können.
Andere Ausführungsformen, bei welchen beispielsweise die Aktuatoren aller Achsen an
einer Seite des Schienenfahrzeugs vorgesehen sind, sind ebenfalls denkbar.
[0018] Eine besondere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, die Achsen des Schienenfahrzeugs
als sogenannter "Losradsatz" auszuführen, bei welchem die Räder auf einer Welle (Achse)
gelagert sind und sich unabhängig voneinander drehen können.
[0019] Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht den Einsatz von sogenannten "Radsätzen"
vor, bei welchen die Räder fest mit der Achse verbunden sind.
[0020] Die Erfindung eignet sich gut zum Einsatz in einem Drehgestell eines Schienenfahrzeugs.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
[0021] Es zeigen beispielhaft:
Fig.1 ein Schienenfahrzeug mit variabler Achsgeometrie.
Fig.2 die Ausgangsgrößen eines modellbasierenden Verfahrens zur Minimierung von Laufflächenschäden
und Profilverschleiß.
Fig.3 Bestimmung der horizontalen Winkel jeder Achse.
Fig.4 Bestimmung der Auslenkung von Aktuatoren.
Ausführung der Erfindung
[0022] Fig.1 zeigt beispielhaft und schematisch den prinzipiellen Aufbau eines Schienenfahrzeugs
mit variabler Achsgeometrie. Ein Schienenfahrzeug S umfassend zwei Achsen A1, A1 welche
um jeweils einen Drehpunkt an einem Ende jeder Achse A1, A2 horizontal drehbar gelagert
sind. An der jeweils dem Drehpunkt gegenüberliegenden Seite jeder Achse A1, A2 greift
am Ende jeder Achse A1, A2 jeweils ein Aktuator AKT1, AKT2 an, welcher an seinem anderen
Ende mit dem Rahmen des Schienenfahrzeugs S verbunden ist. Mittels Modulation der
Länge der Aktuatoren AKT1, AKT2 kann somit für jede Achse A1, A2 ein eigener bestimmter
horizontaler Winkel α1, α2 eingestellt werden. Werden für aufeinanderfolgende Achsen
unterschiedliche horizontale Winkel α1, α2 eingestellt, so ergibt sich eine Verschiebung
y und ein Achsenwinkel dα von α1 + α2 zwischen diesen Achsen. Es zeigt sich, dass
neben dem Achsenwinkel dα die Größe y einen entscheidenden Einfluss auf das Verschleiß-
bzw. Schädigungsverhalten des Fahrzeugs hat.
[0023] Fig.2 zeigt beispielhaft und schematisch die Ausgangsgrößen eines modellbasierenden Verfahrens
zur Minimierung von Laufflächenschäden und Profilverschleiß.
Es ist ein Schienenfahrzeug mit zwei Achsen A1 und A2 dargestellt, welche zueinander
beliebige horizontale Winkellagen (Achsenwinkel dα) einnehmen können und welche eine
Querverschiebung dx zueinander aufweisen. Dem Achsabstand L entspricht die Entfernung
zwischen den Mittelpunkten der Achsen A1 und A2. Der effektive Achsabstand dy kann,
da üblicherweise nur sehr geringe Achsenwinkel dα auftreten, näherungsweise dem Achsabstand
L gleichgesetzt werden. Die beiden Größen Achsenwinkel dα und Querverschiebung dx
werden mittels eines modellbasierenden Verfahrens so bestimmt, dass unter anderem
ein optimales Verschleißverhalten von Laufrädern und Schienenprofilen erreicht wird.
[0024] Fig.3 zeigt beispielhaft und schematisch die Bestimmung der horizontalen Winkel jeder Achse,
wobei aus den vorgegeben Größen Achsenwinkel dα und Querverschiebung dx jene Kombination
aus dem horizontalen Winkel der ersten Achse α1 und horizontalen Winkel der zweiten
Achse α2 bestimmt wird.
[0025] Aus den Beziehungen

und

bestimmen sich der horizontale Winkel der ersten Achse α1:

und der horizontale Winkel der zweiten Achse α2:

[0026] Fig.4 zeigt beispielhaft und schematisch die Bestimmung der Auslenkung von Aktuatoren bei
einem Schienenfahrzeug gemäß Fig1. Das in Fig.1 dargestellte Schienenfahrzeug ist
an jeder der Achsen A1, A2 mit jeweils einem Aktuator AKT1, AKT2 ausgestattet, welcher
Ende jeder Achse A1, A2 angreift. Aus den gemäß Fig.3 bestimmten einzelnen Winkeln
α1 und α2 kann bei vorgegebener Achslänge A die erforderliche Auslenkung jedes Aktuators
gemäß:

und

ermittelt werden.
Liste der Bezeichnungen
[0027]
- S
- Schienenfahrzeug
- A1
- erste Achse
- A2
- zweite Achse
- AKT
- Aktuator
- AKT1
- Aktuator der ersten Achse
- AKT2
- Aktuator der zweiten Achse
- α
- horizontaler Winkel
- α1
- horizontaler Winkel der ersten Achse
- α2
- horizontaler Winkel der zweiten Achse
- y
- Verschiebung
- dα
- Achsenwinkel
- dx
- Querverschiebung
- L
- Achsabstand
- dy
- effektiver Achsabstand
- A
- Achslänge
- S1
- Auslenkung des Aktuators der ersten Achse
- S2
- Auslenkung des Aktuators der zweiten Achse
1. Schienenfahrzeug (S) mit variabler Achsgeometrie mit mindestens zwei Achsen (A1, A2),
wobei die horizontale Winkellage (α) jeder Achse gegenüber dem Fahrzeugrahmen veränderbar
ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkellage (α) jeder Achse während des Betriebs des Schienenfahrzeugs kontinuierlich
so eingestellt wird, dass eine vorgegebene Querverschiebung (dx) und ein vorgegebener
Achsenwinkel (dα) erzielt wird.
2. Schienenfahrzeug (S) mit variabler Achsgeometrie gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Querverschiebung (dx) und der Achsenwinkel (dα) mittels eines modellbasierenden
Verfahrens bestimmt wird.
3. Schienenfahrzeug (S) mit variabler Achsgeometrie gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Achsen als Losradsätze ausgebildet sind.
4. Schienenfahrzeug (S) mit variabler Achsgeometrie gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Achsen als Radsätze ausgebildet sind.
5. Schienenfahrzeug (S) mit variabler Achsgeometrie gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktuatoren (AKT) von zwei aufeinanderfolgenden Achsen (A1, A2) an den jeweils
gegenüberliegenden Seiten der Achsen angebracht sind.
6. Drehgestell mit variabler Achsgeometrie für Schienenfahrzeuge (S) mit mindestens zwei
Achsen (A1, A2), dadurch gekennzeichnet, dass die Winkellage jeder Achse während des Betriebs des Schienenfahrzeugs kontinuierlich
so eingestellt wird, dass eine vorgegebene Querverschiebung (dx) und ein vorgegebener
Achsenwinkel (dα) erzielt wird.
7. Drehgestell mit variabler Achsgeometrie gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Querverschiebung (dx) und der Achsenwinkel (dα) mittels eines modellbasierenden
Verfahrens bestimmt wird.
8. Drehgestell mit variabler Achsgeometrie gemäß Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Achsen als Losradsätze ausgebildet sind.
9. Drehgestell mit variabler Achsgeometrie gemäß Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Achsen als Radsätze ausgebildet sind.
10. Drehgestell mit variabler Achsgeometrie gemäß Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktuatoren (AKT) von zwei aufeinanderfolgenden Achsen (A1, A2) an den jeweils
gegenüberliegenden Seiten der Achsen angebracht sind.