[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft Fahrwerk eines Schienenfahrzeugs nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zum Steuern einer Radachse eines solchen Fahrwerks
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 14.
[0002] Bei Schienenfahrzeugen kommt es durch die profilierte Form der Räder bei der Fahrt
im Allgemeinen zu einem Sinuslauf des Radsatzes des Fahrwerks. Werden die Radachsen
nicht steif genug am Fahrwerkrahmen angebunden, kommt es bei hohen Reisegeschwindigkeiten
zu einem instabilen Lauf des Radsatzes.
[0003] Aus der
DE 10 2017 002 926 A1 ist eine hydraulische Aktuatoreinheit für eine aktive Rad- bzw. Radsatzsteuerung
für ein Fahrwerk eines Schienenfahrzeugs bekannt. Diese Aktuatoreinheit zeichnet sich
primär durch ihre zylindrische Grundform aus, womit ein konventionelles Achslenklager
mit dem beschriebenen Aktuator unmittelbar substituiert werden kann. Ferner zeichnet
sich der Aktuator dadurch aus, dass dieser keine statische Grundsteifigkeit aufweist.
Es muss daher keine Energie und keine Kraft aufgewendet werden, um den Aktuator zu
betätigen. Nachteilig wirkt sich eine nicht vorhandene Grundsteifigkeit aber in jenem
Fehlerfall aus, bei dem es durch Leckage zum kompletten Ölverlust kommt. In diesem
Fall sind die Radachsen des Schienenfahrzeugs nicht mehr steif genug am Fahrwerk angebunden,
sodass es zu einem instabilen Lauf des Radsatzes kommen kann.
[0004] Ferner sind Elastiklager oder Hydrobuchsen zur gedämpften Kopplung der Radachsen
mit dem Fahrwerk bekannt. Diese sind jedoch als solche nicht aktiv verstellbar und
weisen zudem eine statische Grundsteifigkeit auf, sodass selbst bei einem Ölverlust
einer Hydrobuchse noch eine gewisse Reststeifigkeit gegeben und daher die Sicherheitsfunktion
gewahrt ist.
[0005] Insgesamt ist somit festzustellen, dass aktive Radsatzsteuerungssysteme in bestimmten
Fehlerfällen keine ausreichende Fahrsicherheit bieten, insbesondere bei höheren Fahrgeschwindigkeiten.
[0006] Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine aktive Rad- bzw.
Radsatzsteuerung bereitzustellen, die die vorgenannten Nachteile überwindet.
[0007] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Fahrwerk mit den Merkmalen des Anspruchs
1 sowie eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen
der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
[0008] Demnach wird einerseits ein Fahrwerk eines Schienenfahrzeugs mit einer Radachse und
einer Vorrichtung zum Steuern der Radachse vorgeschlagen, wobei die Vorrichtung einen
fluidischen Aktuator umfasst, welcher die Radachse mit dem Fahrwerk koppelt und mittels
welchem der Lenkwinkel der Radachse verstellbar ist. Die Radachse kann Teil eines
Radsatzes des Fahrwerks sein oder den Radsatz selbst darstellen.
[0009] Erfindungsgemäß umfasst das Fahrwerk eine Dämpfungseinrichtung, welche die Radachse
parallel zum Aktuator mit dem Fahrwerk koppelt. Der Begriff "parallel" ist dabei nicht
in geometrischer, sondern in wirkungstechnischer Hinsicht zu verstehen. Die erfindungsgemäße
Dämpfungseinrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass sie eine frequenzabhängige dynamische
bzw. äquivalente Steifigkeit, jedoch keine statische Steifigkeit aufweist. Mit anderen
Worten weist die Dämpfungseinrichtung eine Steifigkeit auf, die von der Anregungs-
bzw. Schwingungsfrequenz abhängt (insbesondere steigt die Steifigkeit mit der Anregungsfrequenz),
während im statischen Fall keine Grundsteifigkeit vorhanden ist, sodass in diesem
Fall keinerlei Kraft aufgewendet werden muss. Dies bedeutet, dass der Aktuator zum
Verstellen des Lenkwinkels der Radachse nicht gegen eine statische Grundsteifigkeit
der Dämpfungseinrichtung, sondern nur gegen deren dynamische Steifigkeit arbeiten
muss, was einen wesentlich geringeren Energieaufwand für die Positionierung der Radachse
bedingt.
[0010] Die erfindungsgemäße parallele Anordnung von Aktuator und Dämpfungseinrichtung erlaubt
den Einsatz von aktiven Radsatzsteuerungen auch für hohe Geschwindigkeiten, da diese
die Fahrsicherheit auch im Fehlerfall sicher gewährleistet. Dabei kann ein aus dem
Stand der Technik, beispielsweise aus der
DE 10 2017 002 926 A1, bekannter Aktuator zum Einsatz kommen, ohne das Radsatzsteuerungssystem über eine
aufwändige Umkonstruktion ausfallsicher gestalten zu müssen.
[0011] Bei dem Aktuator kann es sich um einen pneumatischen oder hydraulischen Aktuator
handeln, wobei letztere Ausführungsform bevorzugt ist.
[0012] Das Merkmal, dass die äquivalente Steifigkeit der Dämpfungseinrichtung frequenzabhängig
ist, ist breit auszulegen und nicht auf eine bestimmte Form der Abhängigkeit beschränkt.
Im einfachsten Fall kann dies einfach bedeuten, dass die Steifigkeit bei einer Anregungsfrequenz
von Null (statischer Fall) ebenfalls Null ist (verschwindende Grundsteifigkeit), während
die Steifigkeit bei Frequenzen oberhalb von Null einen nichtverschwindenden Wert einnimmt.
Dieser kann beispielsweise ein konstanter Wert sein. Ebenfalls ist ein linearer oder
ein nichtlinearer Verlauf der Steifigkeit in Abhängigkeit der Anregungsfrequenz denkbar.
Bevorzugt steigt die äquivalente Steifigkeit jedoch mit der Anregungsfrequenz an,
insbesondere linear, um gerade bei hohen Fahrgeschwindigkeiten, die mit höheren Anregungsfrequenzen
einhergehen, eine ausreichende Steifigkeit bereitzustellen.
[0013] In einer möglichen Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Aktuator einen ersten
Betriebsmodus aufweist, in welchem er als passives Dämpfungselement mit einer frequenzabhängigen
dynamischen Steifigkeit fungiert, wobei der Aktuator insbesondere keine statische
Steifigkeit aufweist. Im ersten Betriebsmodus dient der Aktuator lediglich der passiven
Dämpfung der Radachse, wobei die Dämpfungswirkung parallel zur Dämpfungseinrichtung
bereitgestellt wird. Die Steifigkeiten des Aktuators und der Dämpfungseinrichtung
addieren sich dabei vorteilhafterweise.
[0014] In einem zweiten Betriebsmodus fungiert der Aktuator als Stellantrieb, mittels welchem
der Lenkwinkel der Radachse aktiv verstellbar ist.
[0015] Optional kann der Aktuator einen dritten Betriebsmodus aufweisen, in welchem er fixiert,
insbesondere fluidisch blockiert, ist. Dieser kann beispielsweise während einer wirkenden
Traktion des Schienenfahrzeugs oder während dem Halten einer angefahrenen Position
zum Einsatz kommen. Im dritten Betriebsmodus ist der Aktuator somit insbesondere nicht
verstellbar und/oder weist keine primär dämpfende Funktion auf.
[0016] In einer weiteren möglichen Ausführungsform ist vorgesehen, dass die verschiedenen
Betriebsmodi des Aktuators mittels eines Steuerventils wählbar bzw. aktivierbar sind.
Zwischen den Betriebsmodi kann also mittels des Steuerventils umgeschaltet werden.
Bei dem Steuerventil kann es sich um ein hydraulisches Ventil, beispielsweise ein
Wegeventil, oder um eine Ventilanordnung handeln.
[0017] Vorzugsweise ist das Steuerventil mittels einer Steuerungseinheit schaltbar. Die
Steuerungseinheit kann hierfür vorzugsweise Signale von einem oder mehreren Sensoren
empfangen und anhand dieser Signale das Steuerventil in eine bestimmte Schaltstellung
schalten, die einem bestimmten Betriebsmodus des Aktuators entspricht.
[0018] Das Steuerventil kann dabei fluidische Ein- und Ausgänge des Aktuators, die insbesondere
mit entsprechenden fluidischen Kammern des Aktuators verbunden sind, mit einer Fluidquelle
verbinden, d.h. das Steuerventil ist zwischen die Fluidquelle und den Aktuator geschaltet.
Die Fluidquelle kann einen Hydraulikmotor und eine oder mehrere Hydraulikpumpen umfassen.
Im Falle eines pneumatischen Aktuators kann die Fluidquelle einen oder mehrere Hochdruckspeicher
umfassen.
[0019] Im zweiten Betriebsmodus ist die Fluidquelle vorzugsweise mit den fluidischen Ein-
und Ausgängen des Aktuators verbunden, sodass über eine entsprechende Druckbeaufschlagung
eine gewünschte Verstellung bzw. Positionierung des Aktuators erfolgen kann.
[0020] Im ersten Betriebsmodus können die fluidischen Ein- und Ausgänge des Aktuators von
der Fluidquelle getrennt und/oder über eine Drosselvorrichtung miteinander verbunden
sein. Die Drosselvorrichtung kann für eine entsprechende Dämpfungswirkung des Aktuators
im ersten Betriebsmodus sorgen, ähnlich einem hydraulischen Schwingungsdämpfer bzw.
Stoßdämpfer.
[0021] In einem optionalen dritten Betriebsmodus können die fluidischen Ein- und Ausgänge
des Aktuators von der Fluidquelle und voneinander getrennt sein.
[0022] In einer weiteren möglichen Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Steuerungseinheit
eingerichtet ist, das Steuerventil bei einer Geradeausfahrt des Schienenfahrzeugs
in eine mit dem ersten Betriebsmodus korrespondierende Schaltstellung zu schalten.
Alternativ oder zusätzlich kann die Steuerungseinheit eingerichtet sein, das Steuerventil
bei einer Kurvenfahrt des Schienenfahrzeugs in eine mit dem zweiten Betriebsmodus
korrespondierende Schaltstellung zu schalten. Alternativ oder zusätzlich kann die
Steuerungseinheit eingerichtet sein, das Steuerventil bei Erkennung eines definierten
Zustands, bei dem es sich beispielsweise um eine Traktionsfahrt oder eine bestimmte
Position des Schienenfahrzeugs aber auch um eine manuelle Eingabe beispielsweise des
Fahrers bzw. Bedieners des Schienenfahrzeugs handeln kann, in eine mit dem dritten
Betriebsmodus korrespondierende Schaltstellung zu schalten.
[0023] Die Steuereinheit ist vorzugsweise ferner eingerichtet, anhand von Signalen mindestens
eines Sensors automatisch eine Geradeausfahrt oder eine Kurvenfahrt (oder den genannten
definierten Zustand für den dritten Betriebsmodus) zu erkennen und das Steuerventil
entsprechend zu schalten und/oder zu regeln.
[0024] Generell können für die Steuerung und/oder Regelung des Steuerventils bzw. des Aktuators
(also zum einen für die Auswahl des jeweiligen Betriebsmodus aber ggf. auch für die
Steuerung der Radachse im zweiten Betriebsmodus, d.h. für die gezielte Ansteuerung
des Aktuators zur Positionierung der Radachse) Signale von Weggebern, Winkelsensoren,
Drucksensoren, Geschwindigkeitssensoren, Beschleunigungssensoren oder dergleichen
herangezogen werden. Beispielsweise kann eine Fahrgeschwindigkeit bzw. Querbeschleunigung
gemessen werden. Ebenfalls ist es denkbar, eine Traktionskraft über die Messung einer
Längsbewegung zwischen dem Fahrwerk und einem drehbar mit dem Fahrwerk verbundenen
Wagenkasten bzw. Wagen zu bestimmen. Eine Aktuatorkraft kann mittels einer Druckmessung
im Aktuator erfasst werden. Ebenfalls ist es denkbar, über einen integrierten Drucksensor
eine Druckmessung in der Dämpfungseinrichtung durchzuführen, welche der Steuerungseinheit
zur Verfügung gestellt wird. Diese könnte ggf. mit einer entsprechenden Druckmessung
im Aktuator kombiniert werden.
[0025] In einer weiteren möglichen Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Dämpfungseinrichtung
mindestens ein passives Dämpfungselement umfasst. Dieses Dämpfungselement stellt vorzugsweise
einen Maxwell-Körper bzw. ein Maxwellelement (d.h. eine Reihenschaltung einer hookschen
Feder und eines Dämpfers in der rheologischen Modellierung) dar. Vorzugsweise stellt
die gesamte Dämpfungseinrichtung ein Maxwellelement dar.
[0026] Die Dämpfungseinrichtung kann nur ein einziges passives Dämpfungselement oder aber
eine Reihenschaltung mehrerer solcher passiver Dämpfungselemente umfassen. In letzterem
Fall können ein oder mehrere Dämpfungselemente bei Bedarf aktivierbar bzw. zuschaltbar
sein, ggf. über die zuvor beschriebene Steuerungseinheit oder über eine separate Steuerung.
[0027] In einer weiteren möglichen Ausführungsform ist vorgesehen, dass ein Dämpfungselement
der Dämpfungseinrichtung als fluidischer, insbesondere hydraulischer, Stoßdämpfer
ausgebildet ist und vorzugsweise kein mechanisches Federelement umfasst. Ein solches
Dämpfungselement weist, beispielsweise im Gegensatz zu einer konventionellen Hydrobuchse,
keine statische Grundsteifigkeit auf.
[0028] Die Dämpfungseinrichtung als solche weist erfindungsgemäß keine statische Grundsteifigkeit
auf. Allerdings ist es denkbar, die Dämpfungseinrichtung zusammen mit einer Hydrobuchse
einzusetzen, beispielsweise um die Dämpfungseinrichtung am Fahrwerk und/oder an der
Radachse zu lagern. In diesem Fall kann die Hydrobuchse mit einer geringeren Reststeifigkeit
ausgeführt werden, was deren Leistungsfähigkeit deutlich erhöht.
[0029] In einer weiteren möglichen Ausführungsform ist vorgesehen, dass ein Dämpfungselement
der Dämpfungseinrichtung permanent parallel zum Aktuator geschaltet ist, d.h. dessen
Dämpfungswirkung bzw. Steifigkeit wirkt permanent auf die Radachse parallel zum Aktuator.
Bei einem Fehlerfall des Aktuators, beispielsweise einer Leckage, kann dann das Dämpfungselement
noch eine ausreichende Steifigkeit für die Lagerung der Radachse zur Verfügung stellen.
Nur in dem äußerst unwahrscheinlichen Fall eines Fehlers bzw. einer Leckage im Aktuator
und im parallelen Dämpfungselement (Doppelfehler) käme es zu einem Totalausfall, was
allerdings ein akzeptables Restrisiko darstellt.
[0030] Alternativ oder zusätzlich kann ein Dämpfungselement der Dämpfungseinrichtung bei
Bedarf zuschaltbar sein. Dies kann sich z.B. aus einem gewünschten Dämpfungsverhalten
bei bestimmten Bedingungen, beispielsweise einer bestimmten Fahrtgeschwindigkeit,
ergeben. Vorzugsweise kann das Dämpfungselement jedoch bei Erkennung einer Fehlfunktion
des Aktuators zugeschaltet werden. Eine solche Fehlfunktion liegt insbesondere bei
einer Leckage des Aktuators vor, welche vorzugsweise über eine Erfassung eines Druckabfalls
mittels eines im Aktuator vorgesehenen Drucksensors registrierbar ist. Bei einer solchen
Leckage kann der Aktuator allein keine ausreichende Steifigkeit zur Lagerung der Radachse
zur Verfügung stellen, was insbesondere bei hohen Fahrtgeschwindigkeiten zu einem
instabilen Radlauf führen kann. In diesem Fall kann das zugeschaltete Dämpfungselement
"übernehmen" und eine ausreichende Steifigkeit bereitstellen.
[0031] In einer weiteren möglichen Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Aktuator einen
Drucksensor umfasst, mittels welchem ein Druckabfall im Aktuator erfassbar ist, wobei
das zuschaltbare Dämpfungselement vorzugsweise fluidisch (insbesondere hydraulisch)
derart mit dem Aktuator gekoppelt ist, dass es bei einem Druckabfall automatisch "aktiviert"
bzw. zugeschaltet wird.
[0032] In einer weiteren möglichen Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Dämpfungseinrichtung
die Radachse parallel zum Aktuator mit dem Fahrwerk derart koppelt, dass sich die
Steifigkeiten des Aktuators und der Dämpfungseinrichtung addieren, wobei vorzugsweise
das System aus Aktuator und Dämpfungseinrichtung keine statische Steifigkeit bzw.
Grundsteifigkeit aufweist. Die Kombination aus Aktuator und Dämpfungseinrichtung kann
beispielsweise eine dynamische Steifigkeit aufweisen, die derjenigen einer konventionellen
Hydrobuchse entspricht (bis auf die Reststeifigkeit, die bei einer Hydrobuchse größer
Null und bei der erfindungsgemäßen Vorrichtungen gleich Null ist).
[0033] In einer weiteren möglichen Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Radachse drehbar
an einer Radaufhängung gelagert ist, wobei sowohl der Aktuator als auch die Dämpfungseinrichtung
mit der Radaufhängung gekoppelt sind. Vorzugsweise ist der Aktuator mit einem Schwingarm
der Radaufhängung verbunden. Alternativ oder zusätzlich kann die Dämpfungseinrichtung
mit einem Achslagerdeckel der Radaufhängung verbunden sein. Ebenfalls ist denkbar,
dass Aktuator und Dämpfungseinrichtung an einem gemeinsamen Schwingarm befestigt sind.
[0034] Bevorzugt erfolgt eine Anbindung der Dämpfungseinrichtung über den genannten Achslagerdeckel,
welcher wiederum am Schwingarm angebunden ist. Die Anbindung der Dämpfungseinrichtung
über den Achslagerdeckel erleichtert die Nachrüstung bestehender Fahrwerke. Insbesondere
kann damit im Zuge einer Nachrüstung die Anpassung des gesamten Schwingarms bzw. der
Radaufhängung umgangen werden.
[0035] In einer weiteren möglichen Ausführungsform ist vorgesehen, dass sich eine entlang
der Dämpfungsrichtung verlaufende Längsachse der Dämpfungseinrichtung mit der Drehachse
(d.h. der mittig entlang der Radachse verlaufenden Längsachse) der Radachse schneidet.
Durch eine solche Konstruktion wird kein zusätzliches Moment über die Dämpfungseinrichtung
aufgebracht. Insbesondere bei der zuvor beschriebenen Anbindung der Dämpfungseinrichtung
über den Achslagerdeckel wird kein zusätzliches Moment auf den Schwingarm aufgebracht.
[0036] In einer weiteren möglichen Ausführungsform ist vorgesehen, dass mindestens ein Weggeber
bzw. Positionssensor in den Aktuator und/oder in die Dämpfungseinrichtung integriert
ist, mittels welchem vorzugsweise eine Ausschublänge des Aktuators und/oder eine Ausschublänge
der Dämpfungseinrichtung und/oder eine Position (z.B. eine Winkelstellung) der Radachse
bestimmbar und insbesondere einer Steuerungseinheit zur Steuerung und/oder Regelung
der Radachsenposition zur Verfügung stellbar ist. Eine Integration des Weggebers für
die aktive Radsatzsteuerung in die Dämpfungseinrichtung ermöglicht es, den Sensor
vor den Umgebungsbedingungen in der Nähe des Radsatzes zu schützen. Zudem ist der
Weggeber im Falle eines Ausfalls des Sensors deutlich einfacher zu wechseln, als wenn
dieser im Aktuator integriert wäre. Dies reduziert die Unterhaltskosten und erhöht
die Zuverlässigkeit.
[0037] In einer weiteren möglichen Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Aktuator einen
am Fahrwerk befestigten Achskörper, einen fluidischen Gleichlaufzylinder und ein in
Entsprechung mit einer Bewegung des Gleichlaufzylinders in Bezug auf den Achskörper
bewegbares, mit der Radachse gekoppeltes Gehäuse umfasst. Vorzugsweise ist der Gleichlaufzylinder
im Achskörper ausgebildet bzw. in diesen integriert und umfasst einen Kolben, der
an jeder seiner beiden flächigen Seiten eine den Achskörper durchstoßende Kolbenstange
aufweist. Jeder der den Achskörper durchdringenden Kolbenstangen ist insbesondere
an ihrem der Kolbenfläche abgewandten Ende über ein Kolbenfederelement mit dem Gehäuse
verbunden.
[0038] Mit einem solchen Aktuator ist es demnach möglich, durch das Verstellen des Gleichlaufzylinders,
bzw. das Verfahren der Kolbenstangen eine Bewegung des Gehäuses hervorzurufen, die
wiederum dazu genutzt wird, eine Schwenkbewegung der mit dem Aktuator gekoppelten
Radachse hervorzurufen. Dabei ist der Achskörper in der Regel ortsfest an dem Fahrwerk
befestigt, sodass eine Relativbewegung des Gehäuses gegenüber dem Achskörper für einen
Hub zum Auslenken der Radachse nutzbar ist.
[0039] Vorzugsweise entspricht der Aktuator dem in der
DE 10 2017 002 926 A1 offenbarten Aktuator, wobei jede der darin beschriebenen Ausführungsformen für den
Aktuator der vorliegenden Erfindung in Frage kommt. Die Lehre der
DE 10 2017 002 926 A1 wird in Bezug auf die mögliche Ausgestaltung des Aktuators vollständig in die vorliegende
Offenbarung einbezogen.
[0040] Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zum Steuern einer Radachse
eines erfindungsgemäßen Fahrwerks. Die Vorrichtung umfasst einen erfindungsgemäßen
fluidischen Aktuator sowie eine erfindungsgemäße Dämpfungseinrichtung, welche nach
einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel ausgebildet sein können. Der Aktuator
ist dabei einerseits mit der Radachse und andererseits mit dem Fahrwerk koppelbar.
Die Dämpfungseinrichtung ist parallel zum Aktuator einerseits mit der Radachse und
andererseits mit dem Fahrwerk koppelbar. Dabei ergeben sich offensichtlich dieselben
Vorteile und Eigenschaften wie für das erfindungsgemäße Fahrwerk, weshalb auf eine
wiederholende Beschreibung verzichtet wird.
[0041] Die Dämpfungseinrichtung kann ein vom Aktuator separates Bauteil darstellen. Es ist
jedoch ebenfalls denkbar, dass die Dämpfungseinrichtung in den Aktuator integriert
ist bzw. dass Dämpfungseinrichtung und Aktuator in ein gemeinsames Gehäuse integriert
sind. Dies bezieht sich nicht nur auf die erfindungsgemäße Vorrichtung, sondern generell
auf das erfindungsgemäße Fahrwerk. Dadurch ergibt sich eine noch einfachere Montage
bzw. Demontage, beispielsweise zum Zwecke einer einfachen Nachrüstung bestehender
Fahrwerke von Schienenfahrzeugen.
[0042] Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Schienenfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen
Fahrwerk. Auch hierbei ergeben sich offensichtlich dieselben Vorteile und Eigenschaften
wie für das erfindungsgemäße Fahrwerk, weshalb auf eine wiederholende Beschreibung
verzichtet wird
[0043] Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgend
anhand der Figuren erläuterten Ausführungsbeispielen. Es zeigen:
- Figur 1:
- eine schematische Draufsicht auf das erfindungsgemäße Fahrwerk gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- Figur 2:
- ein rheologisches Ersatzschaltbild eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen
Vorrichtung mit dem Aktuator im ersten Betriebsmodus (links) und eine schematische
Darstellung der entsprechenden dynamischen Steifigkeiten (rechts);
- Figur 3:
- ein rheologisches Ersatzschaltbild einer konventionellen Hydrobuchse (links) und eine
schematische Darstellung ihrer dynamischen Steifigkeit (rechts);
- Figur 4:
- die Darstellungen gemäß Figur 2 im Falle einer Leckage des Aktuators;
- Figur 5:
- die Darstellungen gemäß Figur 3 im Falle einer Leckage der Hydrobuchse;
- Figur 6:
- die Darstellungen gemäß Figur 2 im Falle einer Leckage der Dämpfungseinrichtung;
- Figur 7:
- die Darstellungen gemäß Figur 2 im Falle einer gleichzeitigen Leckage von Aktuator
und Dämpfungseinrichtung;
- Figur 8:
- das rheologische Ersatzschaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß Figur 2
mit dem Aktuator im dritten Betriebsmodus; und
- Figur 9:
- das rheologische Ersatzschaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß Figur 2
mit dem Aktuator im zweiten Betriebsmodus.
[0044] In der Figur 1 ist eine schematische Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Fahrwerks 10 dargestellt. Die Abbildung zeigt einen Teil eines Wagenkastens bzw. Wagens
1 des Schienenfahrzeugs während einer Kurvenfahrt (die Gleise sind als gekrümmte Linien
dargestellt). Der gezeigte Teil des Wagens 1 umfasst ein Fahrwerk 10 mit zwei lenkbaren
Radachsen 12, welche gemeinsam einen Radsatz des Fahrwerks 10 bilden. Jede Radachse
12 umfasst zwei über eine Achse starr bzw. drehfest miteinander verbundene Räder,
die auf den Gleisen aufsitzen. Die Lenkung bzw. Steuerung der Radachsen 12 bzw. des
Radsatzes erfolgt über eine aktive Radsatzsteuerung, welche im Folgenden näher beschrieben
wird.
[0045] In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ist jede Radachse 12 einseitig über einen
Aktuator 22 verstellbar, wobei die Radachsen 12 auf unterschiedlichen Seiten mit den
Aktuatoren 22 gekoppelt sind. Alternativ könnten die Radachsen 12 auf jeder Seite
mit einem Aktuator 22 gekoppelt sein. Primäres Ziel der aktiven Radsatzsteuerung ist
es, die Aktuatoren 22 mit Druck zu beaufschlagen, sodass eine Drehung der Radachsen
12 um deren Hochachsen ausgeführt wird.
[0046] Bei den Aktuatoren 22 handelt es sich in diesem Ausführungsbeispiel um hydraulische
Aktuatoren. Vorzugsweise handelt es sich dabei um Aktuatoren, welche in der
DE 10 2017 002 926 A1 beschrieben sind. Selbstverständlich können aber auch andere Aktuatoren 22 für die
aktive Radsatzsteuerung zum Einsatz kommen.
[0047] Die Aktuatoren 22 sind einerseits an einem Fahrwerkrahmen 18 des Fahrwerks 10 befestigt,
welcher in der Figur 1 lediglich schematisch mit einem Strich gekennzeichnet ist.
Die beweglichen Teile der Aktuatoren 22 sind jeweils mit einem Schwingarm 14 einer
Radaufhängung der zugeordneten Radachse 12 gekoppelt. Durch Betätigung des Aktuators
22, der den entsprechenden Schwingarm 14 mit dem Fahrwerkrahmen 18 koppelt, wird somit
die jeweilige Radachse 12 verschwenkt.
[0048] Auf der dem Aktuator 22 gegenüberliegenden Seite ist jede Radachse 12 über einen
weiteren Schwingarm 14 und ein Lager 19 ebenfalls mit dem Fahrwerkrahmen 18 verbunden.
Bei dem Lager 19 kann es sich beispielsweise um ein mechanisches Lager oder um eine
Hydrobuchse handeln.
[0049] Erfindungsgemäß ist parallel zu jedem Aktuator 22 eine Dämpfungseinrichtung 24 bzw.
ein Achsdämpfer 24 (diese beiden Begriffe werden im Folgenden synonym verwendet) vorgesehen,
welche den Schwingarm 14 ebenfalls mit dem Fahrwerkrahmen 18 koppelt. Jede Radachse
12 ist also über eine Vorrichtung 20 umfassend einen Aktuator 22 und eine Dämpfungseinrichtung
24 am Fahrwerk 10 gelagert und aktiv verstellbar. Gleichzeitig dient die Vorrichtung
20 der Dämpfung der jeweiligen Radachse 12, um einen gleichmäßigen Lauf sicherzustellen.
[0050] Alternativ zu dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel könnten auch zwei Radachsen
über einen gemeinsamen Aktuator 22 gekoppelt sein, wobei der Aktuator zusätzlich am
Fahrwerk 10 befestigt sein kann. In diesem Fall wäre ebenfalls eine Dämpfungseinrichtung
24 parallel zum Aktuator 22 mit den beiden Radachsen gekoppelt.
[0051] Die erfindungsgemäße zusätzliche Dämpfungseinrichtung 24 zeichnet sich dadurch aus,
dass sie keine statische Grundsteifigkeit, sondern lediglich eine frequenzabhängige,
dynamische bzw. äquivalente Steifigkeit aufweist. Die Steifigkeit steigt dabei mit
der Anregungsfrequenz an. Im Gegensatz zu einem Dämpfer mit statischer Reststeifigkeit,
wie dies beispielsweise bei konventionellen Hydrobuchsen der Fall ist, muss der Aktuator
22 somit nicht gegen die statische Reststeifigkeit der Dämpfungseinrichtung 24 arbeiten,
sodass für die Verstellung der Radachse 12 ein geringerer Kraftaufwand erforderlich
ist.
[0052] Die Dämpfungseinrichtung 24 ist ebenfalls am Fahrwerkrahmen 18 befestigt und mit
der Radachse 12 über einen Achslagerdeckel 16, welcher wiederum am Schwingarm 14 angebunden
ist, gekoppelt. Dabei schneidet die Längsachse der Dämpfungseinrichtung 24 die Radachse
12, sodass über die Dämpfungseinrichtung 24 kein zusätzliches Moment auf den Schwingarm
14 aufgebracht wird.
[0053] Die Anbindung der Dämpfungseinrichtung 24 über den Achslagerdeckel 16 erleichtert
die Nachrüstung bestehender Fahrwerke 10. Damit kann im Zuge einer Nachrüstung die
Anpassung des gesamten Schwingarms 14 umgangen werden. Eine Anbindung der Dämpfungseinrichtung
24 am Schwingarm 14 ohne Schneiden der Achsen der Radachse 12 und der Dämpfungseinrichtung
24 ist jedoch ebenfalls möglich.
[0054] Falls für die Radsatzsteuerung eine Positionserkennung am Aktuator 22 erforderlich
ist, kann eine entsprechende Sensorik, beispielsweise in Form von technisch etablierten
Lösungen, in der parallel angeordneten Dämpfungseinrichtung 24 integriert sein. Dies
ermöglicht es, den Weggeber bzw. Positionssensor vor den Umgebungsbedingungen in der
Nähe des Radsatzes zu schützen und erleichtert zudem den Austausch des Sensors.
[0055] Die Dämpfungsrichtung 24 kann ein einzelnes Dämpfungselement umfassen oder eine Kombination
verschiedener Dämpfungselemente. Diese können entweder alle permanent parallel zum
Aktuator 22 zugeschaltet sein, oder es könnten ein oder mehrere Dämpfungselemente
im Fehlerfall des Aktuators 22 (insbesondere bei einer Fluidleckage) aktivierbar bzw.
zuschaltbar sein.
[0056] Die Figur 2 zeigt in der linken Abbildung ein rheologisches Ersatzschaltbild eines
Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung 20 umfassend den Aktuator 22
und die Dämpfungseinrichtung 24 sowie in der rechten Abbildung eine schematische Darstellung
der entsprechenden äquivalenten Steifigkeit c
eq des Aktuators 22 (obere gestrichelte Linie), der Dämpfungseinrichtung 24 (untere
gestrichelte Linie) und deren Kombination (durchgezogene Linie) als Funktion der Anregungsfrequenz
f.
[0057] Der Aktuator 22 weist in diesem Ausführungsbeispiel drei Betriebsmodi auf: in einem
ersten Betriebsmodus, welcher in der Figur 2 gezeigt ist, stellt der Aktuator 22 ein
passives Dämpfungselement mit einer frequenzabhängigen äquivalenten Steifigkeit und
einer Reststeifigkeit von Null dar. Dieser erste Betriebszustand bzw. Betriebsmodus
wird vorzugsweise bei einer Geradeausfahrt des Schienenfahrzeugs eingenommen. Der
Aktuator 22 wird hierfür über eine äußere Ventilbeschaltung der Radsatzsteuerung in
die gewählte Schaltstellung versetzt. In diesem Schaltzustand wirkt der Aktuator 22
als Maxwellelement.
[0058] In der Figur 3 ist das Ersatzschaltbild einer konventionellen Hydrobuchse 30 zum
Vergleich dargestellt. Wie in der rechten Abbildung der Figur 3 zu erkennen ist, weist
die Hydrobuchse 30 eine mit der Frequenz ansteigende äquivalente Steifigkeit sowie
eine Reststeifigkeit größer Null auf. Die Nullpunktsteifigkeit der Hydrobuchse 30
entspricht der statischen Grundsteifigkeit c
2.
[0059] Die äquivalente Steifigkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung 20, d.h. der parallelen
Anordnung von Aktuator 22 und Dämpfungseinrichtung 24, ist in diesem Ausführungsbeispiel
so gewählt, dass sie gleichwertig im Vergleich zur äquivalenten Steifigkeit der Hydrobuchse
30 ist, mit Ausnahme der Steifigkeit im Nullpunkt, welche bei der erfindungsgemäßen
Vorrichtung gleich Null ist.
[0060] Kommt es bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung 20 zu einer Ölleckage im Aktuator
22, so wird die Dämpfungswirkung immer noch vom parallelen Achsdämpfer 24 bereitgestellt.
Durch dessen äquivalente Steifigkeit wird insbesondere bei hohen Fahrtgeschwindigkeiten
eine ausreichende Steifigkeit bzw. Dämpfung bereitgestellt, sodass ein Sinuslauf des
Radsatzes vermieden wird.
[0061] Dieser Fehlerfall ist in dem Ersatzschaltbild der Figur 4 dargestellt. Dabei zeigt
sich in den äquivalenten Steifigkeitsverläufen (rechte Abbildung), dass bei der Hydrobuchse
30 die statische Steifigkeit c
2 und im Falle einer Leckage am Aktuator 22 die äquivalente Steifigkeit des Achsdämpfers
24 verbleibt. Im Falle einer Leckage am Aktuator 22 wird somit einem instabilen Radsatz
durch die äquivalente Steifigkeit des Achsdämpfers 24 entgegengewirkt. Da der instabile
Lauf nur bei hohen Geschwindigkeiten, d.h. bei hohen Anregungsfrequenzen erfolgen
kann, ist eine (äquivalente) Steifigkeit auch nur bei höheren Frequenzen erforderlich.
Eine Hydrobuchse 30 hingegen nutzt konstruktionsbedingt deren statische Grundsteifigkeit
c
2 im Fall der Leckage, um einem instabil werdenden Radsatz entgegenzuwirken.
[0062] Durch die erfindungsgemäße parallele Anordnung von Aktuator 22 und Achsdämpfer 24
verfügt das Radsatzsteuerungssystem über die folgenden Zustände im Fehlerfall der
Leckage:
- i) Leckage im Aktuator 22 (siehe Figur 2): Der Lastpfad über den Aktuator 22 entfällt.
Der Achsdämpfer 24 erzeugt durch die äußere Anregung des Radsatzes eine äquivalente
Steifigkeit, womit ein stabiler Lauf sichergestellt wird. Der Wert dieser äquivalenten
Steifigkeit muss für die relevanten Geschwindigkeitsbereiche mindestens dem Wert der
statischen Steifigkeit einer Hydrobuchse entsprechen. Damit ist eine vergleichbare
Situation zur heute etablierten Hydrobuchse hergestellt.
- ii) Leckage in der Dämpfungseinrichtung 24 (siehe Figur 6): Der Lastpfad über den
Achsdämpfer 24 entfällt. Bei einer Geradeausfahrt des Schienenfahrzeugs übernimmt
der Aktuator 22 den Kraftfluss und stabilisiert den Radsatz.
- iii) Gleichzeitige Leckage von Aktuator 22 und Dämpfungseinrichtung 24 (siehe Figur
7): Dieser Fall setzt einen Doppelfehler von zwei voneinander unabhängigen Geräten
bzw. Bauteilen voraus. Das damit verbundene Restrisiko ist heute vielfach akzeptiert,
als Beispiel dazu sei die doppelte Ausführung von Schlingerdämpfern auf Hochgeschwindigkeitszügen
genannt.
[0063] Die Realisierung einer aktiven Radsatzsteuerung über die parallele Anordnung eines
Aktuators 22 und einer Dämpfungseinrichtung 24 hat den Vorteil, dass der Aktuator
22 lediglich gegen die Dämpfungseinrichtung 24 während der Positionierung der Radachse
12 arbeiten muss. Im Gegensatz dazu müsste der Aktuator bei Verwendung einer Hydrobuchse
30 sowohl die Dämpfung als auch die Grundsteifigkeit c
2 der Hydrobuchse 30 bei der Positionierung überwinden, womit ein wesentlich größerer
Energieaufwand für die Positionierung des Radsatzes aufgebracht werden muss.
[0064] Der zweite Betriebsmodus des Aktuators 22 ist in der Figur 9 dargestellt. Hier kann
der Aktuator aktiv verstellt und damit die Positionierung der gekoppelten Radachse
12 gezielt verändert werden. Dies erfolgt ebenfalls über die äußere Ventilbeschaltung
der Radsatzsteuerung. Hierfür kann der Aktuator 22 einen fest mit dem Fahrwerkrahmen
18 verbundenen Achskörper aufweisen, in welchem ein hydraulischer Gleichlaufzylinder
ausgebildet ist, der bei Betätigung die Radachse 12 verstellt, wie dies z.B. in der
DE 10 2017 002 926 A1 beschrieben ist.
[0065] In einem dritten Betriebsmodus ist der Aktuator 22 hydraulisch blockiert (siehe Figur
8). Dieser Betriebszustand kann beispielsweise während wirkender Traktion oder während
dem Halten einer angefahrenen Position eingenommen werden.
[0066] Die Steuerung und/oder Regelung der äußeren Ventilbeschaltung erfolgt vorzugsweise
automatisch auf Grundlage von Sensordaten. Hierbei wird insbesondere automatisch eine
Geradeausfahrt oder eine Kurvenfahrt erkannt und die Ventilbeschaltung entsprechend
gesteuert und/oder geregelt.
[0067] Die Dämpfungsfunktion der Dämpfungseinrichtung 24 kann alternativ direkt im Aktuator
22 integriert sein. Aufgrund der eingeschränkten Bauraumverhältnisse im Aktuator 22
ist jedoch die getrennte Anordnung bevorzugt und die Dämpfungseinrichtung 24 in den
Figuren 2, 4 und 6-9 jeweils außerhalb des Aktuators 22 eingezeichnet.
Bezugszeichenliste:
[0068]
- 1
- Wagon
- 10
- Fahrwerk
- 12
- Radachse
- 14
- Schwingarm
- 16
- Achslagerdeckel
- 18
- Fahrwerkrahmen
- 19
- Lagerung
- 20
- Vorrichtung
- 22
- Aktuator
- 24
- Dämpfungseinrichtung / Achsdämpfer
- 30
- Hydrobuchse
1. Fahrwerk (10) eines Schienenfahrzeugs mit einer Radachse (12) und einer Vorrichtung
(20) zum Steuern der Radachse, wobei die Vorrichtung (20) einen fluidischen Aktuator
(22) umfasst, welcher die Radachse (12) mit dem Fahrwerk (10) koppelt und mittels
welchem der Lenkwinkel der Radachse (12) verstellbar ist,
gekennzeichnet durch
eine Dämpfungseinrichtung (24), welche eine frequenzabhängige dynamische Steifigkeit
aber keine statische Steifigkeit aufweist und die Radachse (12) parallel zum Aktuator
(22) mit dem Fahrwerk (10) koppelt.
2. Fahrwerk (10) nach Anspruch 1, wobei der Aktuator (22) in einem ersten Betriebsmodus
ein passives Dämpfungselement mit einer frequenzabhängigen dynamischen Steifigkeit
aber insbesondere ohne statische Steifigkeit darstellt und in einem zweiten Betriebsmodus
als Stellantrieb fungiert, mittels welchem der Lenkwinkel der Radachse (12) verstellbar
ist, wobei der Aktuator (22) vorzugsweise in einem dritten Betriebsmodus fixiert,
insbesondere fluidisch blockiert, ist.
3. Fahrwerk (10) nach Anspruch 2, wobei die verschiedenen Betriebsmodi des Aktuators
(22) mittels eines Steuerventils aktivierbar sind, welches insbesondere fluidische
Ein- und Ausgänge des Aktuators (22) mit einer Fluidquelle verbindet, wobei das Steuerventil
vorzugsweise über eine Steuerungseinheit schaltbar ist.
4. Fahrwerk (10) nach Anspruch 3, wobei die Steuerungseinheit eingerichtet ist, das Steuerventil
bei einer Geradeausfahrt des Schienenfahrzeugs in eine den ersten Betriebsmodus aktivierende
Schaltstellung zu schalten und/oder das Steuerventil bei einer Kurvenfahrt des Schienenfahrzeugs
in eine den zweiten Betriebsmodus aktivierenden Schaltstellung zu schalten, wobei
die Steuereinheit vorzugsweise ferner eingerichtet ist, anhand von Signalen mindestens
eines Sensors automatisch eine Geradeausfahrt oder eine Kurvenfahrt zu erkennen und
das Steuerventil entsprechend zu schalten.
5. Fahrwerk (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dämpfungseinrichtung
(24) mindestens ein passives Dämpfungselement umfasst.
6. Fahrwerk (10) nach Anspruch 5, wobei ein Dämpfungselement der Dämpfungseinrichtung
(24) als fluidischer, insbesondere hydraulischer, Stoßdämpfer ausgebildet ist.
7. Fahrwerk (10) nach einem der Ansprüche 5 oder 6, wobei ein Dämpfungselement der Dämpfungseinrichtung
(24) permanent parallel zum Aktuator (22) geschaltet ist und/oder wobei ein Dämpfungselement
der Dämpfungseinrichtung (24) bei Bedarf, insbesondere bei einer Fehlfunktion des
Aktuators (22), welche vorzugsweise über eine Erfassung eines Druckabfalls mittels
eines im Aktuator (22) vorgesehenen Drucksensors registrierbar ist, zuschaltbar ist.
8. Fahrwerk (10) nach Anspruch 7, wobei der Aktuator (22) einen Drucksensor umfasst,
mittels welchem ein Druckabfall im Aktuator (22) erfassbar ist, wobei das zuschaltbare
Dämpfungselement vorzugsweise fluidisch derart mit dem Aktuator (22) gekoppelt ist,
dass es bei einem Druckabfall automatisch zugeschaltet wird.
9. Fahrwerk (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dämpfungseinrichtung
(24) die Radachse (12) parallel zum Aktuator (22) mit dem Fahrwerk (10) derart koppelt,
dass sich die Steifigkeiten des Aktuators (22) und der Dämpfungseinrichtung (24) addieren,
wobei vorzugsweise das System aus Aktuator (22) und Dämpfungseinrichtung (24) keine
statische Steifigkeit aufweist.
10. Fahrwerk (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Radachse (12) drehbar
an einer Radaufhängung gelagert ist, mit welcher sowohl der Aktuator (22) als auch
die Dämpfungseinrichtung (24) gekoppelt sind, wobei vorzugsweise der Aktuator (22)
mit einem Schwingarm (14) der Radaufhängung und/oder die Dämpfungseinrichtung (24)
mit einem Achslagerdeckel (16) der Radaufhängung verbunden ist.
11. Fahrwerk (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich eine entlang der
Dämpfungsrichtung (24) verlaufende Längsachse der Dämpfungseinrichtung (24) mit der
Drehachse der Radachse (12) schneidet.
12. Fahrwerk (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens ein Weggeber
in den Aktuator (22) und/oder in die Dämpfungseinrichtung (24) integriert ist, mittels
welchem vorzugsweise eine Ausschublänge des Aktuators (22) und/oder eine Ausschublänge
der Dämpfungseinrichtung (24) und/oder eine Position der Radachse (12) bestimmbar
und insbesondere einer Steuerungseinheit zur Steuerung der Radachse (12) zur Verfügung
stellbar ist.
13. Fahrwerk (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Aktuator (22) einen
am Fahrwerk (10) befestigten Achskörper, einen fluidischen Gleichlaufzylinder und
ein in Entsprechung mit einer Bewegung des Gleichlaufzylinders in Bezug auf den Achskörper
bewegbares, mit der Radachse gekoppeltes Gehäuse umfasst, wobei der Gleichlaufzylinder
vorzugsweise im Achskörper ausgebildet ist und einen Kolben umfasst, der an jeder
seiner beiden flächigen Seiten eine den Achskörper durchstoßende Kolbenstange aufweist,
welche insbesondere an ihrem der Kolbenfläche abgewandten Ende über ein Kolbenfederelement
mit dem Gehäuse verbunden ist.
14. Vorrichtung (20) zum Steuern einer Radachse (12) eines Fahrwerks (10) nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, umfassend einen fluidischen Aktuator (22), welcher einerseits
mit der Radachse (12) und andererseits mit dem Fahrwerk (10) koppelbar ist und mittels
welchem der Lenkwinkel der Radachse (12) verstellbar ist,
gekennzeichnet durch
eine Dämpfungseinrichtung (24), welche eine frequenzabhängige dynamische Steifigkeit
aber keine statische Steifigkeit aufweist und welche parallel zum Aktuator (22) einerseits
mit der Radachse (12) und andererseits mit dem Fahrwerk (10) koppelbar ist.
15. Schienenfahrzeug mit einem Fahrwerk (10) einem der Ansprüche 1 bis 13.