DE19538379C1 - Zweirädiges Fahrwerk für spurgeführte Fahrzeuge - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein zweirädriges Fahrwerk für spurge­ führte Fahrzeuge mit einer traktionsgestützten Einrichtung zum Lenken und mit einem Radträger.

Nachdem spurgebundene und dabei insbesondere schienengeführte Fahr­ zeuge für den Schnell-, Regional- und Stadtverkehr fast ausschließlich mit Drehgestellfahrwerken ausgestattet worden sind, haben sich in letz­ ter Zeit auch sogenannte Einzelradfahrwerke durchgesetzt. Während Drehgestelle zwei oder mehrere Radsätze oder vier oder mehr soge­ nannte Einzelräder haben und demzufolge sehr schwer sind, weisen Ein­ zelradfahrwerke zwei Einzelräder bzw. Einzelradsatzfahrwerke einen Radsatz auf.

In Gleisbögen werden Drehgestelle durch den vorlaufenden Radsatz bzw. die vorlaufenden Einzelräder gelenkt. Durch den geringen Achsabstand bzw. Radstand ergibt sich ein geräusch- und verschleißarmer Bogenlauf der Räder und durch zwei oder mehr Drehgestelle unter dem Wagenkasten eine stabile Führung im geraden Gleis bei höheren Geschwindigkeiten. Eine zusätzliche Lenkung der Radsätze bzw. Einzelräder im Drehgestell wird durch die diagonale Verbindung zweier Radsätze untereinander oder die Ausnutzung der Winkelbewegungen vor- und nachlaufender Wagenkästen erzielt.

Zweirädrige Einzelradfahrwerke haben insbesondere im Stadt- und Re­ gionalverkehr Verbreitung gefunden. Einzelräder erleichtern dabei die konstruktive Ausführung eines einfachen Wageneinstiegs durch Absen­ kung des Wagenbodens auf ein Niveau von ca. 300 mm als sogenannte Niederflurfahrzeuge. Bei Einhaltung der sogenannten Abrollbedingung, welche durch nahezu gleiche Abroll- und Umfangsgeschwindigkeiten für die jeweils bogeninneren und bogenäußeren Räder gekennzeichnet ist, und der sogenannten Einstellbedingung, die das Einstellen der Radebenen tangential bzw. der Radachsen radial zu den Fahrschienen beschreibt, liegt eine nahezu physikalisch ideale Verschleiß- und Geräuschreduzierung und damit hoher Komfort vor. Zur Realisierung dieser idealen Spurführung kommen verschiedene Techniken zur Anwendung.

Aus der Nahverkehrs-Praxis Nr. 11/1992, S. 402 ff. ist ein dreiteiliges Gelenkfahrzeug mit jeweils zwei Einzelradfahrwerken pro Wagenkasten bekannt. In einem Radträger sind zwei Einzelräder angeordnet, pro Wagen sind zwei Radträger jeweils um die Vertikalachse schwenkbar in dem Fahrwerksrahmen des Wagenkastens gelagert. Der vertikale Drehzapfen für die Schwenkachse befindet sich in der Mitte zwischen den Rädern des Radträgers in der Symmetrieebene des Fahrzeugs. Das bogenabhängige Schwenken bzw. Lenken der Radträger wird durch ein zusätzliches Lenkgestänge zum achsfreien Gelenk bewirkt. Das Lenkgestänge wird dabei in Abhängigkeit von dem sich bogenabhängig einstellenden Knickwinkel zwischen den Wagenkästen bewegt, so daß sich die Radträger annähernd bogenradial einstellen können. Eine ähnliche Zwangslenkung von Einzelradfahrwerken mit jeweils zwei Einzelrädern pro Fahrwerk mit einer portalähnlichen Gelenkkonstruktion wurde in Österreich entwickelt (vgl. ZEV + DET Glas. Annalen 116 (1992) Nr. 8/9, S. 333 ff).

Ein Einzelradfahrwerk mit selbstregelnden Einzelrädern wird in der DE 34 09 103 A1 und der DE 37 44 983 C2 beschrieben. Jedes der Einzelräder ist dabei um eine eigene vertikale Schwenkachse lenkbar. Die bogeninnen und -außen gegenüberliegenden Einzelradträger sind durch eine Spurstange verbunden. Durch die außerhalb der Radauf­ standspunkte liegenden vertikalen Schwenkachsen werden die im Rad/Schiene-Kontakt entstehenden Kräfte genutzt, um die Radebenen tangential zur Fahrschiene zurückzuführen, so daß der Verschleiß zwi­ schen Rad und Schiene erheblich reduziert wird.

Aus EP 02 95 462 B1 ist eine mit Stelleinrichtungen ausgestattete Einzelradfahrwerkkonstruktion bekannt. In einem Radträger sind zwei Einzelräder angeordnet, zwei Radträger sind jeweils um die Vertikale schwenkbar in einem Fahrwerksrahmen gelagert. Der die vertikale Schwenkachse konstruktiv realisierende Drehzapfen befindet sich in der Mitte zwischen den Rädern eines Radträgers in der Symmetrieebene des Fahrwerkrahmens. Das bogenabhängige Schwenken der Radträger wird durch eine Stelleinrichtung für jeden Radträger bewirkt, die sich am Fahrwerksrahmen abstützt und in Abhängigkeit von einem mit dem Wagenkasten gelenkig verbundenen benachbarten Wagenkasten jeden Radträger um den festen Drehpol in Radträgermitte schwenkt.

Bei in Abhängigkeit vom Wagenkastenknickwinkel ausgeführten Bogen­ steuerungen für Einzelräder wächst der Fehler der bogenrichtigen Ein­ stellung mit wachsendem Knickwinkel, ferner kann im Übergangsbogen eine exakte Tangentialstellung der Einzelradebenen nicht erreicht wer­ den. Die zahlreichen Gelenke und Verbindungen des Lenkgestänges er­ fordern einen nicht unbeträchtlichen Wartungs- und Einstellaufwand.

Bei Einzelradfahrwerken mit selbstregelnden, einzeln angetriebenen Ein­ zelrädern kann der Einfluß von Traktionskräften auf das Lenkverhalten zu unerwünschten Fahrbewegungen führen. Differenzantriebsmomente zwischen den Fahrmotoren sind fertigungstechnisch und thermisch nicht zu vermeiden und führen auf Differenztraktionskräfte, welche ein unerwünschtes Lenken hervorrufen können. Diese Differenztraktionskräfte können auch aus toleranz- oder querverschie­ bungsabhängigen Änderungen im Laufkreisradius der angetriebenen Ein­ zelräder resultieren. Ferner verringert sich das Spurmaß dieser derart gelenkten Einzelräder bei sehr kleinen Gleisbogenhalbmessern und großem Achsabstand.

Wird die Schwenkbewegung der um eine vertikale Achse drehbaren Radträger durch hydraulische Stellglieder bewirkt, so ist mit einem nicht unerheblichen Raumbedarf und Energieaufwand zu rechnen, da die der Lenkbewegung entgegenwirkenden Rad/Schiene-Kontaktkräfte durch die Stellglieder überwunden werden müssen. In der Bogenfahrt bewirkt ein Ausfall eines hydraulischen Stellglieds die Gefährdung der Fahrsi­ cherheit. Ist der Einfluß der Traktionskräfte auf die Spurführung nicht zu eliminieren, so müssen die hydraulischen Stellglieder zusätzlich Traktionskraftdifferenzen kompensieren.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein zweirädriges Fahrwerk mit Einzelradantrieb für spurgeführte Fahrzeuge mit gesteuerter Lenkung zu schaffen, welches mit minimalem Verschleiß, hoher Sicherheit und geringem konstruktiven Aufwand sowohl enge Gleisbögen durchfahren als auch höhere Geschwindigkeiten im geraden Gleis erzielen kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale gemäß Anspruch 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes sind in den Unteransprüchen enthalten.

Die Erfindung vermeidet dabei die obengenannten Nachteile.

Im Gegensatz zu den als bekannt beschriebenen Fahrwerken weist das erfin­ dungsgemäße ausgebildete Fahrwerk pro Radträger mit zwei Einzelrädern keine mittige vertikale Schwenkachse auf, sondern zwei jeweils außerhalb der Radaufstandspunkte befindliche vertikale Schwenkachsen, wobei abwechselnd - unter Arretierung der Position der aktuell bogenäußeren Schwenkachse - der Radträger um genau diese Achse geschwenkt wird. Dabei wird der Radträger unter gezielter Aufbringung von Differenztraktionskräften tangential zur Fahrschiene eingestellt und durch eine separate Arretierung im gewünschten Lenkwinkel gehalten. Der gewünschte Lenkwinkel wird beispielsweise durch eine Spurlagemessung ermittelt, die Differenztraktionskräfte werden durch einen Stell- bzw. Regelalgorithmus vorgegeben.

Drehzapfen stellen eine konstruktive Realisierung der Schwenkachsen dar. Seiten bezogen wird der Radträger in Abhängigkeit vom Gleisbogenhalbmesser bei gleichzeitiger Arretierung der horizontalen Verschiebungsmöglichkeit des äußeren Schwenkachsenzapfens um diesen Schwenkachsenzapfen gelenkt. Die Schwenkbewegung kann auch aktiv, beispielsweise durch eine pneumatische oder hydraulische Schwenkeinrichtung oder durch gezieltes Aufbringen von Diffe­ renztraktionskräften bewirkt und gleichzeitig durch die Rad/Schiene- Kontaktkräfte unterstützt werden. Im schwach gebogenen oder geraden Gleis werden beide Schwenkachsen arretiert, so daß eine gute Stabilität bei höheren Geschwindigkeiten erzielt wird und der Einfluß toleranz­ bedingter Traktionskraftunterschiede gering bzw. vergleichbar mit nicht lenkbaren Fahrwerken ist. Die Lenkung und Arretierung wird durch ge­ schickte Anordnung einer Feder-Dämpfer-Kombination unterstützt, so daß bei Ausfall der Fahrmotoren keine Gefährdung der Sicherheit zu be­ fürchten ist.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß keine zusätzliche Energie erfordernde Stelleinrichtungen für den Lenkvorgang notwendig sind, sondern die Differenztraktionskräfte des mit Einzelrad angetriebenen Einzelradfahrwerks als natürliche Stellein­ richtung den Lenkvorgang energiearm steuern und dabei durch die Rad/Schiene-Kontaktkräfte unterstützt werden.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt, die nachfolgend beschrieben werden.

Es zeigt

Fig. 1 das Prinzip des Fahrwerks in Draufsicht;

Fig. 2 den Radträger in seiner Lagerung in Draufsicht;

Fig. 3 den Radträger in Vorderansicht;

Fig. 4 die Anordnung der Feder-Dämpfer-Kombination;

Fig. 5 einen Ausschnitt des Radträgers mit Spindeltrieb;

Fig. 6 eine hydraulische Stelleinrichtung und

Fig. 7 eine Zahnrad-Stelleinrichtung.

Die Fig. 1 zeigt das Prinzip des Fahrwerks in der Draufsicht. Die Bewegungsrichtung des ohne vorlaufenden Teil dargestellten Fahrwerkrahmens 1 ist mit einem Pfeil gekennzeichnet. Drehzapfen und 2′, 2 des um die Vertikale schwenkbaren Radträgers 3 zeigen, daß in der dargestellten Fahrzeugposition eine Drehung um den bogenäußeren Drehpunkt erfolgt. Der eigentliche Lenkrollradius ergibt sich aus dem Abstand der beiden Drehpunkte. Die Einzelräder 4 stehen ideal im Gleis, d. h. die Radachse ist radial zum aktuellen Krümmungsradius und die Radebenen stehen tangential dazu. Die wechselseitige Führung des Radträgers 3 um die Drehpunkte 2 wird durch einen Lagersegmentring bewirkt, dessen fahr­ werksrahmenfeste Teile 5 und 5′ in Fig. 1 dargestellt sind.

Die Fig. 2 zeigt weitere Details des Fahrwerkprinzips in der Draufsicht. Die Federn 6 übernehmen die Abfederung des Fahrwerkrahmens zum Fahrzeugaufbau. Der radträgerfeste Lagersegmentring 7 führt seitenbe­ zogen die Drehpunkte 2 gegenüber dem Fahrzeugrahmen. Ein Ausführungsbeispiel der seitenbezogenen Arretierungsvorrichtung ist als Feder- Dämpfer-Kombination 8 mit einstellbarer Kennlinie ausgestattet.

Fig. 3 stellt das Fahrwerksprinzip in der Vorderansicht dar. Der Fahrwerksrahmen ist hier als sogenannter Trograhmen ausgeführt, um eine Niederflurbauweise mit tiefem Wagenboden zu ermöglichen. Die Federung des Fahrzeugaufbaus 9 ist in der Vorderansicht ebenfalls gut erkennbar. Der fahrwerksrahmenfeste Lagersegmentring (Teile 5 und 5′) ist wie der radträgerfeste Lagersegmentring 7 sowie die entsprechende Führung des Drehzapfens 2 im Schnitt dargestellt. Die seitenbezogene Arretierungs­ vorrichtung 8 ist durch den Anlenkpunkt angedeutet.

In den Fig. 4, 5, 6 und 7 sind die verschiedenen Arretier- und Stellein­ richtungen in Draufsicht dargestellt. In Fig. 4 ist die Feder-Dämpfer- Kombination 8 erkennbar, die redundant in vierfacher Ausfertigung die Lenkung des Radträgers beeinflußt. Durch einstellbare Drosselquer­ schnitte wird das Arretieren der Schwenkachse bewirkt.

Fig. 5 stellt das Fahrwerk im Halbschnitt mit einem Ausführungsbeispiel der Mutter-Spindel-Konstruktion dar. Am Drehzapfen 2 ist die Spindel 19 angelenkt, deren Mutter 10 am Fahrwerksrahmen 1 angelenkt und dabei durch einen Elektromotor 11 angetrieben ist.

In Fig. 6 ist ein Ausführungsbeispiel der pneumatischen oder hydrauli­ schen Stelleinrichtung 12 abgebildet. Diese ist am Drehzapfen 2 und am Fahrwerksrahmen 1 angelenkt.

Fig. 7 stellt ein Ausführungsbeispiel der Zahnrad-Zahnring-Stellvor­ richtung dar. Der Zahnring 15 ist am Fahrwerksrahmen 1 befestigt, der Motor 14 am Radträger 3. über das Zahnrad 13 wird der Stellvorgang des Radträgers im Fahrwerksrahmen eingeleitet. Zusätzlich kann eine Feder-Dämpferkombination den Stellvorgang unterstützen.

Claims (15)

1. Zweirädriges Fahrwerk für spurgeführte Fahrzeuge mit einer traktionsgestützten Einrichtung zum Lenken und mit einem Radträger, dadurch gekennzeichnet, daß beide Räder (4 und 4′) auf dem gemeinsamen Radträger (3) auf einer zum Radumfang senkrechten (gedachten) Verbindungslinie zwischen den Einzelradachsen parallel zueinander ausgerichtet und im gleichen Abstand voneinander angeordnet sind, daß der Radträger (3) zwei außerhalb der Radaufstandspunkte befindliche alternativ einsetzbare, vertikale Schwenkachsen (Drehzapfen 2 und 2′) aufweist, die in Abhängigkeit von der Krümmung des Gleisbogens in der Horizontalen verstellbar und arretierbar sind, wobei der Radträger (3) um die jeweils nicht verstellte, in einer Mittellage befindliche und arretierte Achse lenkbar ist.

2. Fahrwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwenkachsen (Drehzapfen 2 und 2′) des Radträgers (3) auf einem jeweils seitlich im Fahrwerkrahmen (1) angeordneten kreisbogenförmigen Ausschnitt (Teile 5 und 5′) des Fahrwerks verschiebbar sind.

3. Fahrwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die vertikalen Schwenkachsen durch Drehzapfen (2 und 2′) gebildet sind.

4. Fahrwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die vertikalen Schwenkachsen durch Schubfederelemente und/oder Führungslenker so ausgeführt sind, daß die Lenkung um eine virtuelle vertikale Schwenkachse erfolgt.

5. Fahrwerk nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schwenkachse in jeder beliebigen Stellung des kreisbogenförmigen Fahrwerksausschnitts (Teile 5 und 5′) einzeln arretierbar ist, während die jeweils andere in Nullstellung ist.

6. Fahrwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Radträger (3) derart gelenkt ist, daß die Räder (Einzelrad 4 bzw. 4′) immer radial zum gefahrenen Gleisbogen gelenkt und/oder geführt sind.

7. Fahrwerk nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Arretierung einer Schwenkachse (Drehzapfen 2 bzw. 2′) des Radträgers (3) auf dem kreisbogenförmigen Fahrwerksausschnitt durch Schließen des veränderlichen Drosselquerschnitts einer Feder-Dämpfer-Kombination verursacht ist.

8. Fahrwerk nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Arretierung einer Schwenkachse (Drehzapfen 2 bzw. 2′) des Radträgers (3) auf dem kreisbogenförmigen Fahrwerksausschnitt (Teil 5 bzw. 5′) durch eine elektromagnetische und/oder mechanische Haltevorrichtung verursacht ist.

9. Fahrwerk nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Arretierung einer Schwenkachse des Radträgers (3) auf dem kreisbogenförmigen Fahrwerksausschnitt durch eine elektromotorisch angetriebene Mutter-Spindelkonstruktion verursacht ist.

10. Fahrwerk nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschiebung einer Schwenkachse des Radträgers (3) auf dem kreisbogenförmigen Fahrwerksausschnitt durch Differenztraktionskräfte der einzeln angetriebenen Räder (4 bzw. 4′) verursacht ist.

11. Fahrwerk nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschiebung einer Schwenkachse des Radträgers (3) auf dem kreisbogenförmigen Fahrwerksausschnitt durch pneumatische und/oder hydraulische Stelleinrichtungen verursacht ist.

12. Fahrwerk nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschiebung einer Schwenkachse des Radträgers (3) auf dem kreisbogenförmigen Fahrwerksausschnitt durch eine elektromotorisch angetriebene Mutter-Spindelkonstruktion verursacht ist.

13. Fahrwerk nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschiebung einer Schwenkachse des Radträgers (3) auf dem kreisbogenförmigen Fahrwerksausschnitt durch ein elektrisch und/oder motorisch angetriebenes Zahnrad erfolgt, welches einen Zahnring entlang des kreisbogenförmigen Fahrwerksausschnitts antreibt.

14. Fahrwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Radträger (3) um die jeweils kurvenäußere Achse lenkbar ist.

15. Fahrwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Radträger (3) um die jeweils kurveninnere Achse lenkbar ist.