DE102022103096A1

DE102022103096A1 - Schienenfahrzeugfahrwerk mit einer Vorrichtung zum Steuern einer Radachse

Info

Publication number: DE102022103096A1
Application number: DE102022103096.2A
Authority: DE
Inventors: Richard Schneider; Ivo Kovacic
Original assignee: Liebherr Transportation Systems GmbH and Co KG
Current assignee: Liebherr Transportation Systems GmbH and Co KG
Priority date: 2022-02-10
Filing date: 2022-02-10
Publication date: 2023-08-10
Also published as: EP4227188A1; JP7502496B2; JP2023117388A; CN116573006A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Fahrwerk eines Schienenfahrzeugs mit einer Radachse und einer Vorrichtung zum Steuern der Radachse, wobei die Vorrichtung einen fluidischen Aktuator umfasst, welcher die Radachse mit dem Fahrwerk koppelt und mittels welchem der Lenkwinkel der Radachse verstellbar ist. Das Fahrwerk umfasst erfindungsgemäß eine Dämpfungseinrichtung, welche eine frequenzabhängige dynamische Steifigkeit aber keine statische Steifigkeit aufweist und die Radachse parallel zum Aktuator mit dem Fahrwerk koppelt. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum Steuern einer Radachse eines erfindungsgemäßen Fahrwerks sowie ein Schienenfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Fahrwerk.

Description

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.
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.
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.
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 ÖIverlust einer Hydrobuchse noch eine gewisse Reststeifigkeit gegeben und daher die Sicherheitsfunktion gewahrt ist.
Insgesamt ist somit festzustellen, dass aktive Radsatzsteuerungssysteme in bestimmten Fehlerfällen keine ausreichende Fahrsicherheit bieten, insbesondere bei höheren Fahrgeschwindigkeiten.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine aktive Rad- bzw. Radsatzsteuerung bereitzustellen, die die vorgenannten Nachteile überwindet.
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.
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.
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.
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.
Bei dem Aktuator kann es sich um einen pneumatischen oder hydraulischen Aktuator handeln, wobei letztere Ausführungsform bevorzugt ist.
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.
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.
In einem zweiten Betriebsmodus fungiert der Aktuator als Stellantrieb, mittels welchem der Lenkwinkel der Radachse aktiv verstellbar ist.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
In einem optionalen dritten Betriebsmodus können die fluidischen Ein- und Ausgänge des Aktuators von der Fluidquelle und voneinander getrennt sein.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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).
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgend anhand der Figuren erläuterten Ausführungsbeispielen. Es zeigen:

1: eine schematische Draufsicht auf das erfindungsgemäße Fahrwerk gemäß einem Ausführungsbeispiel;
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);
3: ein rheologisches Ersatzschaltbild einer konventionellen Hydrobuchse (links) und eine schematische Darstellung ihrer dynamischen Steifigkeit (rechts);
4: die Darstellungen gemäß 2 im Falle einer Leckage des Aktuators;
5: die Darstellungen gemäß 3 im Falle einer Leckage der Hydrobuchse;
6: die Darstellungen gemäß 2 im Falle einer Leckage der Dämpfungseinrichtung;
7: die Darstellungen gemäß 2 im Falle einer gleichzeitigen Leckage von Aktuator und Dämpfungseinrichtung;
8: das rheologische Ersatzschaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß 2 mit dem Aktuator im dritten Betriebsmodus; und
9: das rheologische Ersatzschaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß 2 mit dem Aktuator im zweiten Betriebsmodus.

In der 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.
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.
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.
Die Aktuatoren 22 sind einerseits an einem Fahrwerkrahmen 18 des Fahrwerks 10 befestigt, welcher in der 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Die 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.
Der Aktuator 22 weist in diesem Ausführungsbeispiel drei Betriebsmodi auf: in einem ersten Betriebsmodus, welcher in der 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.
In der 3 ist das Ersatzschaltbild einer konventionellen Hydrobuchse 30 zum Vergleich dargestellt. Wie in der rechten Abbildung der 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 c₂.
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.
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.
Dieser Fehlerfall ist in dem Ersatzschaltbild der 4 dargestellt. Dabei zeigt sich in den äquivalenten Steifigkeitsverläufen (rechte Abbildung), dass bei der Hydrobuchse 30 die statische Steifigkeit c₂ 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 c₂ im Fall der Leckage, um einem instabil werdenden Radsatz entgegenzuwirken.
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 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 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 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.

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 c₂ der Hydrobuchse 30 bei der Positionierung überwinden, womit ein wesentlich größerer Energieaufwand für die Positionierung des Radsatzes aufgebracht werden muss.
Der zweite Betriebsmodus des Aktuators 22 ist in der 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.
In einem dritten Betriebsmodus ist der Aktuator 22 hydraulisch blockiert (siehe 8). Dieser Betriebszustand kann beispielsweise während wirkender Traktion oder während dem Halten einer angefahrenen Position eingenommen werden.
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.
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 2, 4 und 6-9 jeweils außerhalb des Aktuators 22 eingezeichnet.
Bezugszeichenliste

1: Wagon
10: Fahrwerk
12: Radachse
14: Schwingarm
16: Achslagerdeckel
18: Fahrwerkrahmen
19: Lagerung
20: Vorrichtung
22: Aktuator
24: Dämpfungseinrichtung / Achsdämpfer
30: Hydrobuchse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102017002926 A1 [0003, 0010, 0039, 0046, 0064]

Claims

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.
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.
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.
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.
Fahrwerk (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dämpfungseinrichtung (24) mindestens ein passives Dämpfungselement umfasst.
Fahrwerk (10) nach Anspruch 5, wobei ein Dämpfungselement der Dämpfungseinrichtung (24) als fluidischer, insbesondere hydraulischer, Stoßdämpfer ausgebildet ist.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Schienenfahrzeug mit einem Fahrwerk (10) einem der Ansprüche 1 bis 13.