DE102022133381A1 - Aktuator für ein Neigetechniksystem eines Schienenfahrzeugs - Google Patents

Aktuator für ein Neigetechniksystem eines Schienenfahrzeugs Download PDF

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Aktuator für ein Neigetechniksystem eines Schienenfahrzeugs, wobei der Aktuator ein elektrohydraulischer Aktuator ist und einen Hydraulikzylinder und eine Hydraulikversorgung für den Hydraulikzylinder umfasst, wobei die Hydraulikversorgung eine, vorzugsweise elektrisch betreibbare, Hydraulikpumpe, einen Hydrauliktank und Hydraulikventile umfasst.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Aktuator für ein Neigetechniksystem eines Schienenfahrzeugs.
  • Eine aus dem Stand der Technik bekannte Umsetzung eines Neigetechniksystems für Schienenfahrzeuge sind hydraulische Systeme. Solche hydraulischen Systeme umfassen konventionelle Hydraulikzylinder im Fahrwerk, die von einer zentralen Hydraulikeinheit am Wagenkasten versorgt werden. Nachteilig ist dabei, dass die zentrale Hydraulikeinheit viel Platz benötigt und Hydraulikrohre bzw. -schläuche zur Ansteuerung der Hydraulikzylinder benötigt werden. Die Neigewinkel eines Wagenkastens des Schienenfahrzeugs erzeugen für die Verrohrung große Relativbewegungen zwischen Hydraulikeinheit und Hydraulikzylinder, was zusätzlichen Aufwand erzeugt.
  • Alternativ zu hydraulischen Systemen sind ebenso elektromechanische Systeme mit elektromechanischen Aktuatoren (EMA) anstelle der Hydraulikzylinder bekannt. Ein EMA zeichnet sich durch wenig Platzbedarf aus. Nachteilig ist dabei, dass die Leistungselektronik für den Elektromotor des EMAs aber auch an einem Wagenkasten untergebracht wird und den großen Relativbewegungen bei der Fahrt auch hier begegnet werden muss. Ebenso nachteilig ist der Spindeltrieb eines EMA, der konstruktiv vor Querkräften zu schützen ist und das inhärente Problem der Klemmneigung mit sich bringt. EMAs sind bisher nicht in zufriedenstellender Weise für die Umsetzung eines Neigetechniksystems für Schienenfahrzeuge verwendet worden.
  • Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen gegenüber dem Stand der Technik verbesserten Aktuator für ein Neigetechniksystem für ein Schienenfahrzeug bereitzustellen.
  • Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Demnach ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Aktuator ein elektrohydraulischer Aktuator (EHA) ist und einen Hydraulikzylinder und eine Hydraulikversorgung für den Hydraulikzylinder umfasst, wobei die Hydraulikversorgung eine, vorzugsweise elektrisch betreibbare, Hydraulikpumpe, einen Hydrauliktank und Hydraulikventile umfasst.
  • Vorzugswese umfasst das Schienenfahrzeug ein Fahrwerk und einen Wagenkasten, wobei der Aktuator dazu ausgebildet ist, um zwischen dem Fahrwerk und dem Wagenkasten angeordnet werden zu können und eine Kraft zwischen dem Fahrwerk und dem Wagenkasten zu erzeugen. Vorzugsweise kann mindestens durch diese Kraft ein Neigungswinkel zwischen dem Fahrwerk und dem Wagenkasten verändert werden.
  • Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Hydraulikzylinder und die Hydraulikversorgung eine bauliche Einheit bilden oder dass der Hydraulikzylinder und mindestens ein Hydraulikventil eine erste bauliche Einheit und die Hydraulikpumpe und/oder der Hydrauliktank eine zweite bauliche Einheit bilden.
  • Die Hydraulikversorgung umfasst vorzugsweise Hydraulikleitungen.
  • Die baulichen Einheiten sind vorzugsweise durch Hydraulikleitungen in Form von Hydraulikrohren und/oder -schläuchen verbunden.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Hydraulikversorgung einen Hydraulikspeicher umfasst, wobei eine zu dem Hydraulikzylinder getrennte baulichen Einheit den Hydraulikspeicher umfasst.
  • Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Hydraulikpumpe derart ausgebildet ist, dass die Drehzahl der Hydraulikpumpe geregelt oder nicht geregelt werden kann.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Hydraulikversorgung derart ausgebildet ist, dass bei einem Ausfall der Energieversorgung der Hydraulikpumpe der Hydraulikzylinder drucklos geschalten werden kann.
  • Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Hydraulikversorgung derart ausgebildet und angeordnet ist, dass der Hydraulikzylinder mit oder ohne Energie aus der Hydraulikpumpe bewegt werden kann und/oder dass der Hydraulikzylinder ohne Energie aus der Hydraulikpumpe in einer Halteposition gehalten werden kann.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Hydraulikventile mindestens ein Wegeventil, mindestens ein vorzugsweise entsperrbares Rückschlagventil, mindestens ein Proportionalventil, mindestens ein Druckbegrenzungsventil und/oder mindestens ein Drosselventil umfassen.
  • Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Hydraulikzylinder von einem Reservoir für Hydraulikflüssigkeit umgeben ist, wobei das Reservoir mindestens zwei Rückschlagventile aufweist.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Hydraulikzylinder ein Wegmesssystem, vorzugsweise mit einem berührungslosen Sensor, umfasst.
  • Die Erfindung betrifft auch ein Neigetechniksystem für ein Schienenfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Aktuator.
  • Vorzugsweise umfasst das Neigetechniksystem mehr als einen erfindungsgemäßen Aktuator, wobei jeder Aktuator eine eigene Hydraulikversorgung aufweist.
  • Die Erfindung betrifft auch ein Schienenfahrzeug, insbesondere Neigezug mit einem erfindungsgemäßen Aktuator oder einem erfindungsgemäßen Neigetechniksystem.
  • Vorzugsweise ist der EHA als ausfallsichere Konstruktion ausgeführt. Der EHA weist vorzugsweise einen Hydraulikzylinder, insbesondere ohne inhärenter Klemmneigung und eine elektrisch angetriebene Hydraulikpumpe auf. Die Hydraulikpumpe wird vorzugsweise von einem Elektromotor angetrieben. Der EHA weist vorzugsweise ferner Hydraulikventile auf, welche derart ausgebildet und angeordnet sind, dass bei einem Ausfall der Spannungsversorgung der Hydraulikpumpe der Hydraulikzylinder drucklos geschalten werden kann, sodass der Wagenkasten rein unter der Wirkung der Gravitation zentriert wird und dann um die Mittenlage passiv, vorzugsweise durch den Hydraulikzylinder, gedämpft schwingen kann.
  • Um den Energieeinsatz zu minimieren, wird vorzugsweise nur beim Neigen, also bei einer Kurveneinfahrt des Schienenfahrzeugs die Hydraulikpumpe verwendet. Das Halten auf geneigter Position, also währen der Kurvendurchfahrt des Schienenfahrzeugs, erfolgt vorzugsweise durch hydraulische Sperrventile, sodass in dieser Phase die Hydraulikpumpe keine Energie benötigt. Beim Zentrieren des Wagenkastens, also bei der Kurvenausfahrt des Schienenfahrzeugs wird durch Verwendung von hydraulischen Regelventilen die Gravitation genutzt und es wird auch in dieser Phase keine Hydraulikpumpe benötigt.
  • Es ist vorzugsweise ein kompakter elektrohydraulischer Aktuator (EHA), der dazu ausgebildet ist, dass ein bestehender EMA in einem Neigetechniksystem für ein Schienenfahrzeug ersetzt werden kann, vorgesehen.
  • Ein EMA zeichnet sich beispielweise durch eine hohe Leistungsdichte aus. Ein EMA benötigt in einem Fahrwerk selbst also wenig Platz, benötigt aber für die elektrische Versorgung der Hydraulikpumpe eine entsprechende Leistungselektronik, welche im Unterflurbereich untergebracht ist. Vorzugsweise ist der Bauraum des EHA äquivalent zu dem zu ersetzenden EMA.
  • Der EHA ist vorzugswese mindestens teilweise in Form der Differentialzylinderbauform ausgebildet. Vorzugsweise ist der EHA damit bzgl. Baulänge zum zu ersetzenden EMA äquivalent. Die Hydraulikpumpe des EHA kann bei sehr engen Bauräumen auch ausgelagert und mit Hydraulikschläuchen verbunden werden. Der Bauraum der Leistungselektronik des zu ersetzenden EMAs wird vorzugsweise durch die hydraulische Versorgungseinheit des EHA beansprucht. Vorzugsweise ist damit eine Äquivalenz hinsichtlich des Bauraums hergestellt.
  • Der Spindeltrieb eines EMA kann durch den Fehlerfall „Klemmen“ ein Sicherheitsrestrisiko darstellen, da der Wagenkasten in einem geneigten Zustand verharren könnte, wenn der EMA klemmt. Der Fehlerfall des Spindelklemmens ist bei einem EMA systembedingt. Der EHA weist daher vorzugsweise Klemmfreiheit auf. Ebenso ist der EHA vorzugsweise derart ausgebildet, dass dieser als „fail-safe“ gilt. Die Sicherheitsbetrachtung des EHA ist vorzugsweise günstiger als die des zu ersetzenden EMAs.
  • Durch die Verwendung eines hydraulischen Zylinders bzw. EHAs kann der potentielle Fehlerfall „Klemmen“ gegenüber dem zu ersetzenden EMA vorzugsweise beseitigt oder vermindert werden. Es ist Stand der Technik, dass die Klemmneigung von Hydraulikzylindern praktisch vernachlässigt werden kann. Durch die Verwendung von entsprechenden Ventilen ist der EHA zudem vorzugsweise fail-safe, d.h. im stromlosen Zustand geht dieser durch die Wirkung der Schwerkraft in einen sicheren Betriebszustand über.
  • Die Energiekosten stellen einen nicht unwesentlichen Beitrag in den Gesamtkosten des Betriebs des Schienenfahrzeugs dar. Vorzugseise ist der Energieverbrauch des EHA daher vergleichbar oder besser als der des zu ersetzenden EMAs.
  • Der EHA weist vorzugsweise drei Betriebszustände „Auslenken“, „Halten“ und „Zentrieren“ auf. Vorzugsweise benötigt der EHA nur beim „Auslenken“ Energie. Der Zustand „Halten“ wird vorzugsweise durch Sperrventile realisiert. Vorzugsweise erfolgt ein „Zentrieren“ durch Verwendung von Regelventilen und mit Hilfe der Gravitationskraft.
  • An dieser Stelle wird darauf hingewiesen, dass die Begriffe „ein“ und „eine“ nicht zwingend auf genau eines der Elemente verweisen, wenngleich dies eine mögliche Ausführung darstellt, sondern auch eine Mehrzahl der Elemente bezeichnen können. Ebenso schließt die Verwendung des Plurals auch das Vorhandensein des fraglichen Elementes in der Einzahl ein und umgekehrt umfasst der Singular auch mehrere der fraglichen Elemente. Weiterhin können alle hierin beschriebenen Merkmale der Erfindung beliebig miteinander kombiniert oder voneinander isoliert beansprucht werden.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Effekte der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Figuren, in welchen gleiche oder ähnliche Bauteile durch dieselben Bezugszeichen bezeichnet sind. Hierbei zeigen:
    • 1: ein Ausschnitt eines Hydraulikschemas einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Aktuators.
    • 2: ein weiterer Ausschnitt eines Hydraulikschemas einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Aktuators.
    • 3: ein weiterer Ausschnitt eines Hydraulikschemas einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Aktuators.
  • In 1 ist ein Hydraulikzylinder HZ eines elektrohydraulischen Aktuators in Differentialbauform dargestellt. Der Hydraulikzylinder HZ ist mit einem integrierten Wegmesssystem B30 ausgestattet. Im Regelfall ist das Wegmesssystem B30 ein berührungsloser Sensor. Da Neigetechniksysteme in Neigetechnikzügen eine Regelung auf Position erfordern, kann mit dem Signal der Wegmessung ein Regelkreis geschlossen werden.
  • Der Hydraulikzylinder wird durch eine Hydraulikversorgung mit Hydraulikflüssigkeit und/oder Hydraulikdruck versorgt.
  • Das Zylindergehäuse bzw. der Hydraulikzylinder HZ ist von einem Reservoir R umgeben. Aus dem Reservoir R können beide Zylinderkammern K1 und K2 über Rückschlagventile RV Hydraulikflüssigkeit bzw. Hydrauliköl nachsaugen. Diese Nachsaugfunktion ist für den passiven Betrieb des Hydraulikzylinders HZ notwendig. In der Nähe des höchsten Punktes des Reservoirs R befindet sich in Form eines Überlaufs der Rücklauf T zum Hydrauliktank HT der Hydraulikversorgung. Diese Anordnung stellt sicher, dass das Reservoir R immer mit Hydraulikflüssigkeit bzw. Hydrauliköl gefüllt ist und der Hydraulikzylinder HZ niemals Luft nachsaugen kann.
  • Die Druckversorgung der Zylinderkammern K1 und K2 erfolgt über den Druckanschluss P und ein Wegeventil K30, welches dazu ausgebildet und angeordnet ist, um die Verfahrrichtung des Hydraulikzylinders HZ durch Beaufschlagen der jeweiligen Kammer K1 oder K2 mit Hydraulikflüssigkeit bzw. Hydraulikdruck zu steuern. Mit den nachgelagerten zwei entsperrbaren Rückschlagventilen CV10 und CV20 kann der Hydraulikzylinder HZ in seiner Position hydraulisch blockiert werden. Für das Halten auf Position ist also kein Energieaufwand nötig.
  • Mit Hilfe der Regelventile K10 und K20 kann der Hydraulikzylinder HZ geschwindigkeitsgeregelt werde und ohne Energieaufwand aus der ausgelenkten Position wieder zurück in seine Mittenlage zentriert werden. Diese Proportionalventile K10 und K20 sind stromlos offen gestaltet, sodass bei einem Spannungsabfall der Kammerdruck über diese Ventile entweichen kann und sich der Wagenkasten so von selbst zentrieren kann. Mit dem Restwiderstand in den Ventilen K10 und K20 kann zudem eine rein passive Dämpfung um die Mittenlage erfolgen.
  • Eine optionale Begrenzung gegen Überdruck, sofern diese nicht über die Ventile K10 und/oder K20 darstellbar ist, kann mit den fest eingestellten Druckbegrenzungsventilen DBV10 und DBV20 erfolgen. Optional kann eine Messung der Kammerdrücke zur Überwachung der Zylinderfunktion durch die Drucksensoren B10 B20 erfolgen.
  • Die Ausführung der Hydraulikversorgung des Hydraulikzylinders HZ kann von den konkreten Platzverhältnissen abhängen und kann in mehreren Varianten erfolgen.
  • Die Hydraulikversorgung umfasst eine Hydraulikpumpe HP und einen Hydrauliktank HT.
  • Die Hydraulikpumpe HP und/oder der Hydrauliktank HT können als Variante a) auf dem Aktuator in der Form eines klassischen EHAs integriert sein, also bspw. mit dem Hydraulikzylinder HZ eine Baugruppe bzw. bauliche Einheit bilden. Dies stellt die technisch günstigste Variante dar, da es nach außen keine hydraulische Schnittstelle, respektive Verrohrung, gibt.
  • Die Hydraulikpumpe HP und/oder der Hydrauliktank HT können als Variante b) auch als eigenständige Einheit ausgeführt sein, also bspw. nicht mit dem Hydraulikzylinder HZ eine Baugruppe bzw. bauliche Einheit bilden. Dies erzeugt zwar eine hydraulische Schnittstelle zwischen Hydraulikzylinder HZ und Hydraulikpumpe HP und/oder Hydrauliktank HT. Die Ventiltechnik befindet sich vorzugsweise am Hydraulikzylinder HZ, bzw. bildet mit diesem eine Einheit, womit die Einheit, die die Hydraulikpumpe HP und/oder den Hydrauliktank HT umfasst, relativ klein ausfällt.
  • Die Hydraulikpumpe HP und/oder der Hydrauliktank HT können als Variante c) als eigenständige Einheit in Verbindung mit einem Hydraulikspeicher HS ausgeführt sein. Hier wird die große Leistungsanforderung zum Bewegen des Hydraulikzylinders HZ, bspw. zum Neigen des Schienenfahrzeugs, aus dem Hydraulikspeicher HS bedient und die Speicherladung erfolgt über die Hydraulikpumpe HP, die mit kleinerer Leistung dimensioniert werden kann. Die Variante c) reduziert die Anforderungen an den Elektromotor der Hydraulikpumpe inkl. Energieversorgung in Bezug auf die Leistungsinstallation.
  • Für die Varianten a) und b) ist die Hydraulikpumpe HP vorzugsweise drehzahlregelbar ausgeführt, damit beim Neigen neben der Positionsregelung auch eine Geschwindigkeitsregelung des Hydraulikzylinders HZ erfolgen kann. Die Varianten a) und b) sind in 2 dargestellt.
  • Dort ist an den Druckanschluss P eine Hydraulikpumpe HP angeschlossen, die Hydraulikflüssigkeit aus einem Hydrauliktank HT zu dem Hydraulikzylinder HZ fördern kann. Über den Rücklauf T kann die Hydraulikflüssigkeit wieder in den Hydrauliktank HT gelangen. Die Hydraulikversorgung ist also vorzugsweise ein geschlossenes System.
  • Für die Variante c) mit Hydraulikspeicher HS ist ein proportionales Drosselventil K40 in Sitzausführung vorzusehen. Damit wird die Positions- u. Geschwindigkeitsregelung realisiert. Die Hydraulikpumpe HP zur Speicherladung ist hier vorzugsweise nicht drehzahlregelbar ausgeführt. Variante c) geht aus 3 hervor, in der der Hydraulikspeicher HS über die Hydraulikpumpe HP mit Hydraulikflüssigkeit versorgt wird.
  • Die Hydraulikversorgung weist vorzugsweise ein Druckbegrenzungsventil, einen Drucksensor und/oder ein Schaltventil für eine Speicherentleerung auf.

Claims (13)

  1. Aktuator für ein Neigetechniksystem eines Schienenfahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator ein elektrohydraulischer Aktuator ist und einen Hydraulikzylinder und eine Hydraulikversorgung für den Hydraulikzylinder umfasst, wobei die Hydraulikversorgung eine, vorzugsweise elektrisch betreibbare, Hydraulikpumpe, einen Hydrauliktank und Hydraulikventile umfasst.
  2. Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hydraulikzylinder und die Hydraulikversorgung eine bauliche Einheit bilden oder dass der Hydraulikzylinder und mindestens ein Hydraulikventil eine erste bauliche Einheit und die Hydraulikpumpe und/oder der Hydrauliktank eine zweite bauliche Einheit bilden.
  3. Aktuator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hydraulikversorgung einen Hydraulikspeicher umfasst, wobei eine zu dem Hydraulikzylinder getrennte baulichen Einheit den Hydraulikspeicher umfasst.
  4. Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hydraulikpumpe derart ausgebildet ist, dass die Drehzahl der Hydraulikpumpe geregelt oder nicht geregelt werden kann.
  5. Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hydraulikversorgung derart ausgebildet ist, dass bei einem Ausfall der Energieversorgung der Hydraulikpumpe der Hydraulikzylinder drucklos geschalten werden kann.
  6. Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hydraulikversorgung derart ausgebildet und angeordnet ist, dass der Hydraulikzylinder mit oder ohne Energie aus der Hydraulikpumpe bewegt werden kann und/oder dass der Hydraulikzylinder ohne Energie aus der Hydraulikpumpe in einer Halteposition gehalten werden kann.
  7. Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hydraulikventile mindestens ein Wegeventil, mindestens ein vorzugsweise entsperrbares Rückschlagventil, mindestens ein Proportionalventil, mindestens ein Druckbegrenzungsventil und/oder mindestens ein Drosselventil umfassen.
  8. Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hydraulikzylinder von einem Reservoir für Hydraulikflüssigkeit umgeben ist, wobei das Reservoir mindestens zwei Rückschlagventile aufweist.
  9. Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hydraulikzylinder ein Wegmesssystem, vorzugsweise mit einem berührungslosen Sensor, umfasst.
  10. Neigetechniksystem für ein Schienenfahrzeug mit einem Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
  11. Neigetechniksystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Neigetechniksystem mehr als einen Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 9 umfasst, wobei jeder Aktuator eine eigene Hydraulikversorgung aufweist.
  12. Neigetechniksystem nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass nur beim Neigen die Hydraulikpumpe verwendet wird, dass das Halten auf geneigter Position durch hydraulische Sperrventile erfolgt und dass beim Zentrieren des Wagenkastens durch Verwendung von hydraulischen Regelventilen die Gravitation genutzt wird.
  13. Schienenfahrzeug, insbesondere Neigezug mit einem Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 9 oder einem Neigetechniksystem nach einem der Ansprüche 10 bis 12.
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