DE202004020784U1

DE202004020784U1 - Fahrzeug, insbesondere spurgeführtes Fahrzeug, mit gelenkig verbundenen Wagenkästen

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Publication number: DE202004020784U1
Application number: DE202004020784U
Authority: DE
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2004-03-26
Filing date: 2004-03-26
Publication date: 2006-02-02
Anticipated expiration: 2014-03-27

Abstract

Fahrzeug, insbesondere spurgeführtes Fahrzeug, bestehend aus mindestens drei gelenkig miteinander verbundenen Wagenkästen, von denen sich mindesten ein Wagenkasten MWK (Mittel-Wagenkasten) nicht auf ein oder mehrere Laufwerke abstützt sondern über Wagenkastengelenke auf die beiden ihm benachbarten Wagenkästen LWK (Laufwerk-Wagenkästen), die sich ihrerseits jeweils auf mindestens ein Laufwerk abstützen, dadurch gekennzeichnet,
dass beide den Mittel-Wagenkasten stützenden Gelenke Wankbewegungen um eine Längsachse (x-Achse) der im jeweiligen Gelenk verbundenen Wagenkästen zueinander zulassen,
dass die Wankbewegungen der Wagenkästen zueinander in den beiden Gelenken derart miteinander verkoppelt sind, dass der Wankwinkel φ₁ der Wagenkästen zueinander in einem Gelenk SWG* und der Wankwinkel φ₂ der Wagenkästen zueinander im anderen Gelenk SNWG* in einem funktionellen Zusammenhang φ₁ = f_φ(φ₂) stehen, und dass der Mittel-Wagenkasten sich hinsichtlich Wanken über beide Gelenke auf beide benachbarten Laufwerk-Wagenkästen abstützt, wobei dass das Wankstützmoment M_W1 in einem Gelenk SWG* und das Wankstützmoment M_W2 im anderen Gelenk SNWG* in einem funktionellen Zusammenhang...

Description

Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug, insbesondere ein spurgeführtes Fahrzeug, bestehend aus mindestens drei gelenkig miteinander verbundenen Wagenkästen, von denen sich mindestens ein Wagenkasten MWK (Mittel-Wagenkasten) nicht auf ein oder mehrere Laufwerke abstützt sondern über Wagenkastengelenke auf die beiden ihm benachbarten Wagenkästen LWK (Laufwerk-Wagenkästen), die sich ihrerseits jeweils auf mindestens ein Laufwerk abstützen.
Bei derartigen Fahrzeugen sind mindestens zwischen zwei benachbarten Laufwerken zwei Wagenkastengelenke angeordnet. So ist es möglich, den Abstand zwischen diesen benachbarten Laufwerken relativ groß auszubilden, da sich das Fahrzeug durch seine Wagenkastengelenke in optimaler Weise einem vorgegebenen Hüllprofil anpassen kann. Dieser ansonsten vorteilhafte große Laufwerkabstand bringt jedoch auch einen Nachteil mit sich. Dieser tritt beim Befahren einer Fahrbahnverwindung auf, etwa beim Befahren einer Überhöhungsrampe am Anfang oder Ende eines überhöhten Streckenbogens. Einerseits entstehen größere Beanspruchungen der Wagenkästen hinsichtlich Torsion um die Längsachse (x-Achse) und andererseits entstehen größere Umverteilungen der Radaufstandskräfte. Letzteres kann insbesondere für spurgeführte Fahrzeuge dann kritisch sein, wenn die Tragräder gleichzeitig die Spurführungsfunktion haben, wie eben bei Schienenfahrzeugen. Bei zu großer Minderung der Radaufstandskraft kann dann eine sichere Spurführung nicht mehr gewährleistet werden. Bei Schienenfahrzeugen beispielsweise wird dann davon gesprochen, dass die Sicherheit gegen Verwindungsentgleisung nicht mehr gegeben ist.
Weiter verschärft wird die zuvor beschriebene Situation dann, wenn zur Erzielung einer großen Fahrzeuglänge Laufwerk-Wagenkästen und Mittel-Wagenkästen mehrfach mittels Gelenken aneinandergereiht werden. Es entstehen so die oft als Multigelenk-Fahrzeug bezeichneten Fahrzeuge, wie man sie heute häufig als niederflurige Straßenbahnwagen antrifft. Die Torsionsbeanspruchung der Wagenkästen und die Umverteilung der Radaufstandskräfte und damit einhergehend Minderungen der Radaufstandskräfte bei Fahrbahnverwindung nehmen dann in starkem Maße zu.
Bei Fahrzeugen der gattungsgemäßen Art sind folgende vier prinzipiellen Gelenkausführungen hinsichtlich ihrer Wirkungsweise bekannt:

1. Die Gelenke zwischen den Wagenkästen ermöglichen zunächst folgende Drehbewegungen der benachbarten Wagenkästen zueinander:
• eine Schwenkbewegung um eine Hochachse (z-Achse) und
• eine Nickbewegung um eine Querachse (y-Achse).
Ein solches Wagenkastengelenk kann als Schwenk-Nick-Gelenk (SNG) bezeichnet werden. Es verfügt über zwei Freiheitsgrade und bindet vier Freiheitsgrade. Gebunden werden durch das Schwenk-Nick-Gelenk Verschiebungen der Wagenkästen zueinander in alle drei Koordinatenrichtungen und die Wankbewegung der Wagenkästen zueinander um eine Längsachse (x-Achse).
In 1 ist eine häufig anzutreffende Ausführungsform auch für ein solches Wagenkastengelenk (SNG) prinzipiell dargestellt. Hier ist im Bereich des Fußbodens der Wagenkästen ein sphärisches Lager 1 angeordnet. Dieses in der Regel als axiales Kugelgelenk ausgebildete Lager bindet drei Freiheitsgrade. Es verhindert die Verschiebung der Wagenkästen zueinander in alle drei Koordinatenrichtungen. Jedoch werden Drehbewegungen der Wagenkästen zueinander gleich um welche Achse durch ein solches Lager nicht verhindert. Dazu bedarf es bei einer solchen Ausführungsform für ein Schwenk-Nick-Gelenk weiterer Konstruktionselemente. Um das Wanken der Wagenkästen zueinander zu unterbinden, kann hier beispielsweise im Dachbereich eine Querkoppelstange 2 zwischen die Wagenkästen montiert werden.
Es gibt weitere bekannte Ausführungsformen für Schwenk-Nick-Gelenke. Beispielsweise kann im Fußbodenbereich der Wagenkästen ein horizontal liegender Kugeldrehkranz vorgesehen sein, der allein fünf Freiheitsgrade bindet. Er lässt nur Schwenkbewegungen um seine vertikale Drehachse (z-Achse) zu. Um hier ein Schwenk-Nick-Gelenk zu realisieren, wird einer der mittels dieses Gelenkes verbundenen Wagenkästen gelenkig am Kugeldrehkranz abgestützt. Diese gelenkige Abstützung am Kugeldrehkranz erlaubt eine Drehbewegung um eine Querachse (y-Achse) und somit Nickbewegungen der Wagenkästen zueinander.
Ein Mittel-Wagenkasten ohne Laufwerke ist bei Verwendung der beschriebenen Schwenk-Nick-Gelenke für seine beiden Enden mehr als hinreichend auf die benachbarten Laufwerk-Wagenkästen abgestützt. Bezüglich seiner Wankabstützung liegt eine statische Überbestimmtheit vor, da diese Abstützung gleichzeitig über zwei Wagenkastengelenke erfolgt. Hierin liegt auch der Grund dafür, dass beim Befahren von Fahrbahnverwindungen statische Umverteilungen der Radaufstandskräfte stattfinden und erhebliche Torsionsbeanspruchungen um die Längsachse im Wagenkasten aufgebaut werden.
2. Eine weitere prinzipielle Gelenkausführung lässt nur eine Schwenkbewegung um eine Hochachse (z-Achse) der Wagenkästen zueinander zu. Ein solches Gelenk kann als Schwenk-Gelenk (SG) bezeichnet werden. Es ist stets dann an einem Ende eines Laufwerk-Wagenkastens als Gelenkverbindung zu einem Mittel-Wagenkasten erforderlich, wenn sich der Laufwerk-Wagenkasten nur auf ein Laufwerk abstützt, welches allein keine ausreichende Nickabstützung gewährleisten kann und auch keine weitere Abstützung des Laufwerk-Wagenkastens über ein weiteres Gelenk unmittelbar auf einen direkt benachbarten Laufwerk-Wagenkasten erfolgt.
Auch für ein solches Wagenkastengelenk (SG) ist in 1 eine häufig anzutreffende Ausführungsform prinzipiell dargestellt. Auch hier ist im Bereich des Fußbodens der Wagenkästen ein sphärisches Lager 1 angeordnet, welches allein wohl Verschiebungen der Wagenkästen zueinander verhindert, nicht aber Drehbewegungen um irgendeine Achse. Dazu wird in der Regel im Dachbereich des Fahrzeuges ein weiteres Lager 3 vorgesehen. Für dieses Dachlager 3 kommt vorzugsweise ebenfalls ein sphärisches Lager zum Einsatz. Ein derart ausgebildetes Wagenkastengelenk verfügt nun nur noch über einen Freiheitsgrad. Die mittels dieses Gelenkes gekoppelten Wagenkästen können nur noch Schwenkbewegungen um eine Hochachse (Schwenkachse 4) ausführen, wobei diese Schwenkachse 4 durch die Verbindungslinie zwischen den Drehmittelpunkten der beiden Lager 1 und 3 im Fußboden- bzw. im Dachbereich repräsentiert wird.
Auch für ein Schwenk-Gelenk sind weitere Ausführungsformen bekannt. Beispielsweise stellt der schon erwähnte horizontal liegende Kugeldrehkranz im Fußbodenbereich der Wagenkästen allein eine mögliche Ausführungsform für ein Schwenk-Gelenk dar. Er bindet fünf Freiheitsgrade und lässt nur Schwenkbewegungen um eine senkrechte Achse (z-Achse) zu.
Werden nun ein oder auch beide Schwenk-Nick-Gelenke am Mittel-Wagenkasten durch Schwenkgelenke ersetzt um benachbarte Laufwerk-Wagenkästen hinsichtlich Nicken abzustützen, ändert sich an der statischen Überbestimmtheit hinsichtlich der Wankabstützung des Mittel-Wagenkastens nichts. Umverteilung der Radaufstandskraft und Torsionsbeanspruchung der Wagenkästen beim Befahren von Fahrbahnverwindungen bleiben unverändert. Die Bindung zusätzlicher Freiheitsgrade in den Wagenkastengelenken ist nur für die Nickabstützung der Laufwerk-Wagenkästen von Bedeutung.
3. Um die Umverteilung der Radaufstandskraft und Torsion des Wagenkastens als Folge der statischen Überbestimmtheit hinsichtlich Wankabstützung der Mittel-Wagenkästen zu reduzieren, ist es sinnvoll und bekannt, in einem der Gelenke, die den Mittel-Wagenkasten auf benachbarte Laufwerk-Wagenkästen abstützen, Wankbewegungen zwischen den Wagenkästen zuzulassen. Dieses eine Gelenk bindet also einen Freiheitsgrad weniger. Der Mittel-Wagenkasten stützt sich nun hinsichtlich Wanken nur auf einen der beiden benachbarten Wagenkästen über das jeweils andere Gelenk ab, also statisch bestimmt.
Das zuvor genannte Schwenk-Nick-Gelenk wird nun in seiner Funktionsweise entsprechend verändert. Wankbewegungen der Wagenkästen zueinander werden jetzt zugelassen und ein solches Gelenk kann als Schwenk-Nick-Wank-Gelenk (SNWG) bezeichnet werden. Es bindet tatsächlich nur noch drei Freiheitsgrade, nämlich die drei möglichen Verschieberichtungen der Wagenkästen zueinander. Drehbewegungen der Wagenkästen zueinander um jede der drei möglichen Achsen sind im Schwenk-Nick-Wank-Gelenk ausführbar.
Als mögliche Ausführungsform lässt sich ein solches Wagenkastengelenk (SNWG) aus einem Schwenk-Nick-Gelenk (SNG) mit sphärischem Lager im Fußbodenbereich leicht erstellen. Dazu wird die Querkoppelstange 2 im Dachbereich entfernt.
Soll für das Schwenk-Nick-Wank-Gelenk als weitere Ausführungsform beispielsweise ein Kugeldrehkranz im Fußbodenbereich eingesetzt werden, so müsste dieser kardanisch gelagert zwischen den beiden Wagenkästen montiert sein.
4. Die vierte bekannte prinzipielle Gelenkausführung hinsichtlich ihrer Wirkungsweise ist abgeleitet aus dem Schwenk-Gelenk. Dazu wird auch zu dieser Gelenkausführung ein Freiheitsgrad hinzugefügt. Es ist nun möglich, dass die über ein solches Gelenk verbundenen Wagenkästen zueinander nicht nur Schwenkbewegungen um eine senkrechte Achse (z-Achse) ausführen können sondern auch Wankbewegungen um eine Längsachse (x-Achse). Ein solches Gelenk kann als Schwenk-Wank-Gelenk (SWG) bezeichnet werden.
Mögliche und bekannte Ausführungsformen für ein Schwenk-Wank-Gelenk sind in den 2 bis 4 schematisch dargestellt, wobei hier nur die Lagerausführung im Dachbereich als Einzelheit gezeigt wird. Im Bereich des Fußbodens bleibt das sphärische Lager 1, wie es bei den Fahrzeuggelenken entsprechend 1 zur Anwendung kommt, erhalten.
Bei der Ausführungsform gemäß 2 wird der Freiheitsgrad für das Wanken erzielt, indem das Dachlager 3 in einer Lagerkonsole 6 querverschiebbar angeordnet ist. Diese Querverschiebbarkeit des Dachlagers 3 in einer Lagerkonsole 6 wird hier durch die Aufnahme dieses Dachlagers 3 in einem quer angeordnetem Langloch 5 erreicht.
Eine weitere Gestaltungsmöglichkeit bietet sich durch eine querverschiebbar am Wagenkasten angeordnete Lagerkonsole 6. Wie 3 zeigt, ist die Lagerkonsole 6 zum Erzielen der gewünschten Querverschiebbarkeit am Wagenkasten mittels Schiebesitzen 7 montiert.
4 verdeutlicht eine weitere Ausführungsform für ein Schwenk-Wank-Gelenk. Das bisher übliche Dachlager 3 ist hier praktisch auf zwei Lager mit einem Längsabstand aufgeteilt. Verbunden werden diese beiden Lager durch den Längslenker 8.
Auch mittels Kugeldrehkranz im Fußbodenbereich lässt sich ein Schwenk-Wank-Gelenk darstellen. Einer der beiden durch das Gelenk verbundenen Wagenkästen müsste sich gelenkig zum Kugeldrehkranz hin abstützen, wobei die Drehachse dieser gelenkigen Abstützung in Längsrichtung verlaufen muss.

Das Zulassen von Wankbewegungen der Wagenkästen zueinander in einem den Mittel-Wagenkasten stützendem Gelenk hat einige nicht unerhebliche Nachteile. Der Mittel-Wagenkasten kann sich hinsichtlich Wanken nur über das jeweils andere Gelenk auf einen Laufwerk-Wagenkasten abstützen. Dadurch sind die Reaktionskräfte aus Fliehkraft, Windlast und Wankdynamik an diesem Laufwerk-Wagenkasten deutlich höher, als wenn sich der Mittel-Wagenkasten auf beide benachbarten Laufwerk-Wagenkästen abstützen würde. Hinsichtlich Wankdynamik stellt der Einsatz eines Gelenkwankdämpfer im Wagenkastengelenk, welches Wankbewegungen der Wagenkästen zueinander ermöglicht, einen bekannten Lösungsansatz dar, um die Problematik besser zu beherrschen. Ein solcher Gelenkwankdämpfer kann als hydraulischer Dämpfer ausgeführt sein, der im Wagenkastengelenk die beiden benachbarten Wagenkästen im Dachbereich miteinander verbindet. Beim Befahren von Fahrbahnverwindungen baut ein solcher Dämpfer in Abhängigkeit von der Fahrgeschwindigkeit und der Verwindungssteilheit der Fahrbahnverwindung aber wiederum Torsionsbeanspruchungen in der Wagenkastenstruktur auf und erzeugt eine Umverteilung von Radaufstandskräften.
Beim Befahren von Fahrbahnverwindungen müsste der gesamte Verwindungswinkel, der sich über den Längsabstand beider Stützbasen der den Mittel-Wagenkasten tragenden Laufwerk-Wagenkästen ergibt, in einem Gelenk aufgenommen werden, sollte aus der Fahrbahnverwindung keine Torsionsbeanspruchung der Wagenkastenstruktur und keine Umverteilung der Radaufstandskraft resultieren. Dieser Verwindungswinkel ist aber oft größer als der mögliche Wankwinkel der Wagenkästen in einem Gelenk zueinander. Begrenzend wirkt meist die Fähigkeit des im Wagenkastenübergang eingesetzten Faltenbalges, Schubbewegungen zu ermöglichen. Auch die möglichen Ausführungen der Fußbodengestaltung im Bereich des Wagenkastengelenkes setzen oft enge Grenzen hinsichtlich der Wankwinkel von Wagenkästen zueinander. Daher muss in aller Regel der Wankwinkel der benachbarten Wagenkästen zueinander im Wagenkastengelenk durch geeignete Maßnahmen begrenzt werden. Solche Maßnahmen können beispielsweise wankbegrenzende Puffer und/oder Anschläge im Wagenkastengelenk sein. Auch der zuvor genannte Gelenkwankdämpfer kann wankwinkelbegrenzend wirken, wenn sein Hub entsprechend dimensioniert wird. Wird der Gelenkwankwinkel begrenzt, tritt jedoch wieder Torsionsbeanspruchung der Wagenkastenstruktur und Radaufstandskraftumverteilung auf, sobald der Verwindungswinkel größer wird als der zugelassene Gelenkwankwinkel.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die genannten Nachteile zu beheben, die sich ergeben, wenn keines oder nur eines der beiden den Mittel-Wagenkasten stützenden Gelenke Wankbewegungen der benachbarten Wagenkästen zueinander zulässt. Es soll ein Fahrzeug der gattungsgemäßen Art so ausgebildet werden, dass es Fahrbahnverwindungen befahren kann, ohne Torsionsbeanspruchungen der Wagenkastenstruktur und Umverteilungen der Radlast über einen Mittel-Wagenkasten hin aufzubauen, und dass es die Abstützung des Mittel-Wagenkastens hinsichtlich Wanken über beide benachbarten Laufwerk-Wagenkästen in gewünschter Verteilung ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass beide den Mittel-Wagenkasten stützenden Gelenke Wankbewegungen um eine Längsachse (x-Achse) der im jeweiligen Gelenk verbundenen Wagenkästen zueinander zulassen, dass die Wankbewegungen der Wagenkästen zueinander in den beiden Gelenken derart miteinander verkoppelt sind, dass der Wankwinkel φ₁ der Wagenkästen zueinander in einem Gelenk und der Wankwinkel φ₂ der Wagenkästen zueinander im anderen Gelenk in einem funktionellen Zusammenhang φ₁ = f_φ(φ₂) stehen, und dass der Mittel-Wagenkasten sich hinsichtlich Wanken über beide Gelenke auf beide benachbarten Laufwerk-Wagenkästen abstützt, wobei das Wankstützmoment M_W1 in einem Gelenk und das Wankstützmoment M_W2 im anderen Gelenk in einem funktionellen Zusammenhang M_W1 = f_M(M_W2) stehen.
Durch die Verkopplung der Wankbewegungen in beiden Gelenken kann erreicht werden, dass der Mittelwagenkasten sich hinsichtlich Wanken auf beide benachbarten Laufwerk-Wagenkästen abstützt.
In den 5 und 10 ist eine prinzipielle Ausführungsform für die Verkopplung der Wankbewegungen der Wagenkästen zueinander in den Gelenken, die einen Mittel-Wagenkasten MWK stützen, dargestellt. Zunächst wird in beiden Gelenken die Wankbewegung der jeweiligen Wagenkästen zueinander zugelassen, indem Schwenk-Wank-Gelenke bzw. Schwenk-Nick-Wank-Gelenke eingesetzt werden. Diese sind als solche bereits bekannt, z. B. aus den 2 und 3. Ohne weitere Maßnahme wäre der Mittel-Wagenkasten nun hinsichtlich Wanken nicht abgestützt. Er würde seitlich kippen. Daher müssen nun die jeweiligen Wankbewegungen der Wagenkästen zueinander in den beiden den Mittel-Wagenkasten stützenden Gelenken untereinander verkoppelt werden. Nach 5 und 10 kann dies beispielhaft so erfolgen, dass an den Laufwerk-Wagenkästen LWK jeweils eine von der Art her vom Schwenk-Nickgelenk bekannte Querkoppelstange 2 montiert wird. Seitens des Mittel-Wagenkastens wird diese Querkoppelstange 2 jedoch nicht direkt am Wagenkasten montiert, sondern sie greift an einem Winkelhebel 9 an, der seinerseits in einem Lager 10 am Mittel-Wagenkasten um eine senkrechte Achse drehbar gelagert ist. Eine Wankbewegung der Wagenkästen zueinander im Gelenk führt somit zu einer Drehbewegung des Winkelhebels 9 um die Hochachse im Winkelhebel-Lager 10. Der Drehwinkel des Winkelhebels 9 ist ein Maß für den Wankwinkel der Wagenkästen zueinander. Dieser Drehwinkel wird unter anderem durch die Längen l₁ bzw. l₂ der Winkelhebel 9 bestimmt. Werden die Winkelhebel 9 in ihrer Drehbewegung gekoppelt, so sind auch die Wankwinkel der Wagenkästen zueinander in den beiden Gelenken gekoppelt. Für diese Kopplung werden die Koppelelemente 11 eingesetzt. Werden Winkelhebel verwendet, wie in 5 dargestellt, die in Fahrzeugquerrichtung über zwei von ihrer Lagerung 10 ausgehende Schenkel verfügen, können beispielsweise als Koppelelemente 11 Seile Verwendung finden oder Zugstangen, die frei von Druckkräften sind. Dies kann sehr vorteilhaft sein, wenn die beiden in der Wankbewegung zu koppelnden Gelenke weit voneinander entfernt liegen und somit Knickung für die Koppelelemente relevant werden könnte. Ansonsten bedarf es natürlich für jedes Gelenk jeweils nur eines einfachen Winkelhebels, die dann untereinander mittels einer Druck-Zug-Stange als Koppelelement 11 verbunden sind.
Es ist nun ein funktioneller Zusammenhang φ₁ = f_φ(φ₂) zwischen dem Wankwinkel φ₁ der Wagenkästen zueinander in einem Gelenk und dem Wankwinkel im anderen Gelenk hergestellt. Da über die Struktur des Mittel-Wagenkastens keine Torsionsbeanspruchung um seine Längsachse von einem ihn stützenden Laufwerk-Wagenkasten zum anderen ihn stützenden Laufwerk-Wagenkasten mehr übertragen wird und somit der Mittel-Wagenkasten auch nicht um seine Längsachse verdreht wird, entspricht die Summe der beiden Wankwinkel φ₁ und φ₂ in den beiden den Mittel- Wagenkasten stützenden Gelenken dem Wankwinkel φ, der sich bedingt durch Verwindung der Fahrbahn zwischen den beiden stützenden Laufwerk-Wagenkästen LWK einstellt. Neben dem funktionellen Zusammenhang φ₁ = f_φ(φ₂) ist also auch eine zweite Bedingung φ = φ₁ + φ₂ gegeben, so dass beide Winkel in ihrer Größe statisch bestimmt definiert sind.
Auf den Mittel-Wagenkasten wirken im Betrieb Querkräfte, die zum Beispiel aus Fliehkräften bei Bogenfahrt und/oder aus Windlasten resultieren. Diese müssen von den Gelenken, die den Mittel-Wagenkasten stützen, auf die Laufwerk-Wagenkästen übertragen werden. Dies erfolgt zunächst über die im Fußbodenbereich angeordneten Lagerelemente (z. B. sphärisches Lager 1). Da jedoch die Wirkungslinie der Querkräfte in aller Regel oberhalb dieser Lagerelemente liegt, entsteht am Mittel-Wagenkasten ein Kippmoment um die Längsachse – das Wankmoment M_W. Daher müssen in den Gelenken entsprechende Wankstützmomente übertragen werden, wobei gilt, dass die Summe aus dem Wankstützmoment M_W1 in einem Gelenk und dem Wankstützmoment M_W2 im anderen Gelenk dem Wankmoment M_W entspricht (M_W = M_W1 + M_W2). Die Wankkopplung der beiden den Mittel-Wagenkasten stützenden Gelenke erzeugt nicht nur einen funktionellen Zusammenhang für die im Gelenk auftretenden Wankwinkel der jeweiligen Wagenkästen zueinander, sondern sie führt ebenso zu einem funktionellen Zusammenhang M_W1 = f_M(M_W2) zwischen dem Wankstützmoment M_W ₁ in einem Gelenk und dem Wankstützmoment M_W2 im anderen Gelenk. In Analogie zu den Wankwinkeln sind für die beiden Wankstützmomente also ebenfalls zwei Bedingungen gegeben, so dass auch die Wankstützmomente statisch bestimmt definiert sind. Der funktionelle Zusammenhang f_M() für die Wankstützmomente stellt die Umkehrfunktion des funktionellen Zusammenhanges f_φ() für Wankwinkel dar (f_φ() = f_M ^–1()). Dies gilt solange, wie keine weiteren über die hier beschriebenen Koppelelemente für die Wankbewegung der Wagenkästen zueinander in den Gelenken hinausgehende Wank-Koppelelemente in den Gelenken wie beispielsweise Dämpfer, Federelemente, Puffer und/oder Anschläge wirksam werden.
Bei der Auslegung der funktionellen Zusammenhänge für die Wankwinkel bzw. die Wankstützmomente ist die Wahl eines stetigen Funktionsverlaufes von Vorteil. Unstetigkeiten in Bewegungsabläufen erzeugen Beschleunigungsspitzen, die ihrerseits zu einem hohen dynamischen Kraftniveau führen. Auch sollte sinnvoller Weise eine stetig steigende Funktion gewählt werden. Ein fallender Funktionsverlauf würde bedeuten, dass in einem Gelenk sich ein größerer Wankwinkel einstellen würde, als er sich aufgrund der Fahrbahnverwindung zwischen den beiden den Mittel-Wagenkasten stützenden Laufwerk-Wagenkästen einstellt. Die beiden Wankstützmomente in den beiden Gelenken würden gegeneinander wirken. Ein stetig fallender Verlauf für den herzustellenden funktionellen Zusammenhang wäre also hinsichtlich Wankabstützung des Mittel-Wagenkastens äußerst ungünstig. Auch würde das Hüllprofil des Fahrzeuges zunehmen. Wenn im Extremfall ein solch ungünstiger funktioneller Zusammenhang φ₁ = –φ₂ lauten würde, wäre eine Wankabstützung überhaupt nicht mehr gewährleistet. Der Mittel-Wagenkasten MWK würde umkippen. Konstruktiv wäre eine solche unsinnige Ausführungsform beispielsweise vorstellbar, wenn die beiden in 5 als Zugstangen über den Mittel-Wagenkasten geführten Koppelelemente 11 gekreuzt würden und für den Extremfall die beiden Winkelhebel 9 gleiche Schenkellängen l₁ und l₂ aufweisen würden.
Sind in 5 die Schenkellängen der Winkelhebel 9 und die Längen der Querkoppelstangen 2 hinreichend groß im Verhältnis zu den Drehwinkeln, die die Winkelhebel 9 in ihren Lagern 10 ausführen, so kann mit guter Näherung von einem linearen Zusammenhang für φ₁ und φ₂ ausgegangen werden. Die beiden Winkel und die beiden Wankstützmomente sind jeweils proportional zueinander. Im Ausführungsbeispiel nach 5 würden sich die funktionellen Zusammenhänge für die Wankwinkel mit der Gleichung
und für die Wankstützmomente mit der Gleichung
darstellen lassen. Sind beispielsweise die Hebelverhältnisse an den Winkelhebeln 9 in beiden den Mittel-Wagenkasten stützenden Gelenken gleich (l₁ = l₂), ergeben sich in beiden Gelenken gleiche Wankwinkel der jeweiligen Wagenkästen zueinander und gleiche Wankstützmomente.
In 6 ist eine weitere Ausgestaltungsmöglichkeit für die konstruktive Umsetzung der funktionellen Zusammenhänge zwischen den Wankwinkeln der jeweiligen Wagenkästen zueinander und der Wankstützmomente in den beiden einen Mittel-Wagenkasten stützenden Gelenken gezeigt. Hier sind der aus 4 bekannte Längslenker 8 eines Schwenk-Wank-Gelenkes und der aus 5 bekannte Winkelhebel 9 zu einem Bauteil vereint. Als Koppelelemente 11 können auch hier wieder Zug- bzw. Zug-Druck-Stangen eingesetzt werden oder aber auch Seile, bei denen gegebenenfalls auch der Einsatz von Führungsrollen zur Ablenkung der Seilrichtung in Erwägung gezogen werden kann. Dies könnte dann zweckmäßig sein, wenn beispielsweise der Dachaufbau des Fahrzeuges eine einfache geradlinige Anordnung der Koppelelemente erschwert. Außerdem könnte – wie in 7 gezeigt – bei Verwendung von Seilen 12 und dem Einsatz von Führungsrollen 13 sogar auf die Querkoppelstange 2 und den Winkelhebel 9 verzichtet werden.
Schließlich sind anstelle der Seile und gegebenenfalls der Führungsrollen auch Bodenzüge einsetzbar.
Neben mechanisch wirkenden Mitteln zur Erzeugung der funktionellen Zusammenhänge zwischen den beiden Wankwinkeln φ₁ und φ₂ der Wagenkästen zueinander und zwischen den beiden Wankstützmomenten M_W1 und M_W2 können auch hydraulische Mittel eingesetzt werden. Eine solche Möglichkeit ist in 8 dargestellt. Eine Wankbewegung der Wagenkästen zueinander wird in eine Kolbenbewegung an einem Hydraulikzylinder 14 umgesetzt. Die dabei aus dem Hydraulikzylinder verdrängte Ölmenge wird mittels Hydraulikleitungen 15 zu einem weiteren Hydraulikzylinder geleitet, der dem anderen Wagenkastengelenk des Mittel-Wagenkastens zugeordnet ist. In der Folge wird nun an diesem Hydraulikzylinder eine Kolbenbewegung ausgelöst, die ihrerseits zu einem Wankwinkel der an diesem Gelenk verbundenen Wagenkästen zueinander führt. Somit sind die funktionellen Zusammenhänge zwischen den beiden Wankwinkeln φ₁ und φ₂ der Wagenkästen zueinander und zwischen den beiden Wankstützmomenten M_W1 und M_W2 hergestellt. Bei dieser hydraulisch wirkenden Ausgestaltung der Erfindung lässt sich der funktionelle Zusammenhang außer über Hebelverhältnisse auch über die Größe der Kolbenflächen der Hydraulikzylinder 14 beeinflussen. Vorzugsweise sollten für die Hydraulikzylinder 14 Gleichlaufzylinder zur Anwendung kommen.
Die bisher beschriebenen Ausführungsformen erlauben es dem Fahrzeug, jeder Fahrbahnverwindung vollständig zu folgen. Torsionsbeanspruchungen um die Längsachse müssen daher vom Mittel-Wagenkasten nicht von einem Laufwerk-Wagenkasten zum anderen übertragen werden. Um für bestimmte Fahrbahnzustände, wie etwa für einseitige Höhenfehler der Fahrbahn, dafür zu sorgen, dass das Fahrzeug nicht zu sehr der fehlerhaften Fahrbahn mit Wankbewegungen folgt, kann es sinnvoll sein, die Wankbewegungen der Wagenkästen zueinander in den Gelenken mittels Gelenkwankdämpfern zu bedämpfen. Dynamisch stützen sich dann die Laufwerk-Wagenkästen gegenseitig über den dazwischen angeordneten Mittel-Wagenkasten. Allerdings wird so wieder eine der Dämpfkraft entsprechende Torsionsbeanspruchung der Wagenkastenstruktur sowie eine entsprechende Umverteilung der Radaufstandskräfte verursacht. Andererseits bietet sich auf diese Weise die Möglichkeit, das Wankverhalten des Fahrzeuges zumindest bis zu einem bestimmten Grad zu bedämpfen, ohne die Bedämpfung der Vertikalfederung zu beeinflussen. Neben der in aller Regel üblichen Anordnung eines hydraulischen Gelenkwankdämpfers im Dachbereich quer zwischen den beiden im Gelenk miteinander verbundenen Wagenkästen (etwa so, wie die Hydraulikzylinder 14 in 8), sind für die Anordnung eines Dämpfers bei wankgekoppelten Gelenken durch das Vorhandensein der Koppelelemente vielfältige Möglichkeiten gegeben. Bauraumprobleme sind somit einfacher zu lösen. Die Dämpfkraft kann an einem beliebigen an der Wankkopplung der Gelenke beteiligten Bauteil angreifen. Beispielsweise kann ein Gelenkwankdämpfer 16 am Winkelhebel 9 montiert sein, wie es in 9 prinzipiell gezeigt ist. Bedingt durch den funktionellen Zusammenhang zwischen den jeweiligen Wankwinkeln der Wagenkästen zueinander in den Wagenkastengelenken ist ein einziger Dämpfer erforderlich, um die Wankbewegung in beiden Gelenken zu bedämpfen. Bei dem Ausführungsbeispiel nach 8, bei dem die funktionellen Zusammenhänge zwischen den beiden Wankwinkel φ₁ und φ₂ der Wagenkästen zueinander und zwischen den beiden Wankstützmomenten M_W1 und M_W2 durch hydraulische Mittel erzeugt werden, lässt sich die Dämpfung direkt in die Hydraulik integrieren, indem in den Hydraulikleitungen 15 Drosselventile vorgesehen werden bzw. diese Hydraulikleitungen selbst durch entsprechende Querschnittswahl aufgrund der so definierbaren Strömungswiderstände dämpfend wirken.
Die für den Übergang von einem Wagenkasten zum anderen im Bereich der Wagenkastengelenke eingesetzten Faltenbälge sind häufig bezüglich der Schubverformung nur relativ gering beanspruchbar. Auch ist oft die Ausführung des Fußbodens im Gelenkbereich nur für geringe Wankwinkel der im Gelenk verbundenen Wagenkästen zueinander geeignet. Sollten daher oder aus anderen Gründen Einschränkungen hinsichtlich der möglichen Wankwinkel der Wagenkästen zueinander in einem oder beiden den Mittelwagenkasten stützenden Gelenken bestehen, kann es sinnvoll sein, eine Begrenzung der Wankwinkel der im Gelenk verbundenen Wagenkästen zueinander vorzunehmen. Dies kann ähnlich wie bei der Anordnung von Gelenkwankdämpfern auch dadurch erfolgen, dass Begrenzungselemente über ein beliebiges an der Wankkopplung der Gelenke beteiligten Bauteile wirken. In 9 ist beispielhaft eine mögliche Anordnung von wankwinkelbegrenzenden Puffern 17 dargestellt, die die Bewegungen des Winkelhebels 9 begrenzen und somit auch die Wankwinkel der im Gelenk verbundenen Wagenkästen zueinander. Wegen des funktionellen Zusammenhanges zwischen den jeweiligen Wankwinkeln der Wagenkästen zueinander in den beiden Wagenkastengelenken des Mittel-Wagenkastens ist es auch hier ausreichend, diese Wankwinkelbegrenzung nur einmal je Mittel-Wagenkasten auszuführen. Anstelle der in 9 dargestellten Puffer 17 können auch Anschläge oder Federapparate zum Einsatz kommen. Anschläge erzeugen diskontinuierliche Kennlinienverläufe und somit Kraftspitzen und stellen daher in der Regel nicht die optimale Lösung dar. Jede Wankwinkelbegrenzung führt mit ihrem Wirken wieder zum Aufbau von Torsionsbeanspruchungen über die Struktur des Mittel-Wagenkastens hinweg und demzufolge auch wieder zur Umverteilung von Radaufstandskräften. Greifen beispielsweise anstelle der in 9 gezeigten Puffer 17 Federapparate am Winkelhebel 9 an, so wirken diese auch bereits bei kleinen Fahrbahnverwindungen und erzeugen auch bei kleinen Fahrbahnverwindungen entsprechend ihrer Federsteifigkeit Torsionsbelastungen und eine Umverteilung der Radaufstandskraft.
Eine Wankwinkelbegrenzung der Wagenkästen zueinander in den beiden Wagenkastengelenken des Mittel-Wagenkastens kann bei einer hydraulischen Anordnung beispielsweise nach 8 auch dadurch erzielt werden, indem der Hub der Hydraulikzylinder 14 entsprechend begrenzt wird, gegebenenfalls auch durch elastisch wirkende Hubbegrenzungselemente.

LWK: Wagenkasten, der sich auf mindestens ein Laufwerk
: abstützt (Laufwerk-Wagenkasten)
MWK: Wagenkasten (Mittel-Wagenkasten), der sich selbst
: nicht auf ein oder mehrere Laufwerke abstützt
: sondern über Wagenkastengelenke auf die beiden ihm
: benachbarten Wagenkästen LWK
SG: Wagenkastengelenk mit 1 Freiheitsgrad für
: Schwenkbewegungen der benachbarten Wagenkästen
: zueinander (Schwenk-Gelenk)
SNG: Wagenkastengelenk mit 2 Freiheitsgraden für
: Schwenk- und Nickbewegungen der benachbarten
: Wagenkästen zueinander (Schwenk-Nick-Gelenk)
SWG: Wagenkastengelenk mit 2 Freiheitsgraden für
: Schwenk- und Wankbewegungen der benachbarten
: Wagenkästen zueinander (Schwenk-Wank-Gelenk)
SNWG: Wagenkastengelenk mit 3 Freiheitsgraden für
: Schwenk-, Nick- und Wankbewegungen der benachbarten
: Wagenkästen zueinander (Schwenk-Nick-Wank-Gelenk)
SWG*: Wagenkastengelenk mit 2 Freiheitsgraden für
: Schwenk- und Wankbewegungen der benachbarten
: Wagenkästen zueinander (Schwenk-Wank-Gelenk), wobei
: die Wankbewegungen in einem funktionellen
: Zusammenhang stehen mit den Wankbewegungen eines
: weiteren Wagenkastengelenkes (SWG* oder SNWG*)
SNWG*: Wagenkastengelenk mit 3 Freiheitsgraden für
: Schwenk-, Nick- und Wankbewegungen der benachbarten
: Wagenkästen zueinander (Schwenk-Nick-Wank-Gelenk),
: wobei die Wankbewegungen in einem funktionellen
: Zusammenhang stehen mit den Wankbewegungen eines
: weiteren Wagenkastengelenkes (SWG* oder SNWG*)
1: sphärisches Lager im Bereich des Wagenkastenbodens
2: Querkoppelstange im Dachbereich
3: Dachlager
4: Schwenkachse
5: Langloch
6: Lagerkonsole
7: Schiebesitz
8: Längslenker
9: Winkelhebel
10: Winkelhebel-Lager
11: Koppelelement
12: Seil
13: Führungsrolle
14: Hydraulikzylinder
15: Hydraulikleitung
16: Gelenkwankdämpfer
17: Puffer, Anschlag und/oder Federelement
x: Längskoordinate
y: Querkoordinate
z: Vertikalkoordinate
φ₁: Wankwinkel um eine Längsachse (x-Achse) der Wagenkästen
: zueinander im ersten der beiden den Mittel-Wagenkasten
: stützenden Gelenke
φ₂: Wankwinkel um eine Längsachse (x-Achse) der Wagenkästen
: zueinander im zweiten der beiden den Mittel-Wagenkasten
: stützenden Gelenke
φ: Wankwinkel um eine Längsachse (x-Achse) der beiden
: Laufwerk-Wagenkästen zueinander, die gemeinsam einen
: Mittelwagenkasten stützen
: φ = φ₁ + φ₂
f_φ(): funktioneller Zusammenhang zwischen den Wankwinkeln der
: Wagen
M_W1: Wankstützmoment im ersten der beiden den Mittel-
: Wagenkasten stützenden Gelenke
M_W2: Wankstützmoment im zweiten der beiden den Mittel-
: Wagenkasten stützenden Gelenke
M_W: am Mittel-Wagenkasten wirkendes Wankmoment
: M_W = M_W1 + M_W2
f_M(): funktioneller Zusammenhang zwischen den
: Wankstützmomenten M_W1 und M_W2
l₁: Länge des in Längsrichtung weisenden Schenkels des
: Winkelhebels 9 im ersten der beiden den Mittel-
: Wagenkasten stützenden Gelenke
l₂: Länge des in Längsrichtung weisenden Schenkels des
: Winkelhebels 9 im zweiten der beiden den Mittel-
: Wagenkasten stützenden Gelenke
k: Proportionalitätsfaktor

Claims

Fahrzeug, insbesondere spurgeführtes Fahrzeug, bestehend aus mindestens drei gelenkig miteinander verbundenen Wagenkästen, von denen sich mindesten ein Wagenkasten MWK (Mittel-Wagenkasten) nicht auf ein oder mehrere Laufwerke abstützt sondern über Wagenkastengelenke auf die beiden ihm benachbarten Wagenkästen LWK (Laufwerk-Wagenkästen), die sich ihrerseits jeweils auf mindestens ein Laufwerk abstützen, dadurch gekennzeichnet, dass beide den Mittel-Wagenkasten stützenden Gelenke Wankbewegungen um eine Längsachse (x-Achse) der im jeweiligen Gelenk verbundenen Wagenkästen zueinander zulassen, dass die Wankbewegungen der Wagenkästen zueinander in den beiden Gelenken derart miteinander verkoppelt sind, dass der Wankwinkel φ₁ der Wagenkästen zueinander in einem Gelenk SWG* und der Wankwinkel φ₂ der Wagenkästen zueinander im anderen Gelenk SNWG* in einem funktionellen Zusammenhang φ₁ = f_φ(φ₂) stehen, und dass der Mittel-Wagenkasten sich hinsichtlich Wanken über beide Gelenke auf beide benachbarten Laufwerk-Wagenkästen abstützt, wobei dass das Wankstützmoment M_W1 in einem Gelenk SWG* und das Wankstützmoment M_W2 im anderen Gelenk SNWG* in einem funktionellen Zusammenhang M_W1 = f_M(M_W2) stehen.
Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der funktionelle Zusammenhang f_M() für die Wankstützmomente die Umkehrfunktion des funktionellen Zusammenhanges f_φ() für die Wankwinkel der Wagenkästen zueinander darstellt (f_φ() = f_M ^–1()).
Fahrzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der funktionelle Zusammenhang φ₁ = f_φ(φ₂) für die beiden Wankwinkel der Wagenkästen zueinander eine stetig steigende Funktion darstellt.
Fahrzeug nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der funktionelle Zusammenhang φ₁ = f_φ(φ₂) für die beiden Wankwinkel der Wagenkästen zueinander eine lineare Funktion darstellt und somit die beiden Wankwinkel φ₁ und φ₂ zwischen den jeweiligen Wagenkästen entsprechend der Gleichung φ₁ = k · φ₂ zueinander proportional sind, wobei k der Proportionalitätsfaktor ist.
Fahrzeug nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Proportionalitätsfaktor den Wert k = 1 annimmt.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die funktionellen Zusammenhänge zwischen den beiden Wankwinkeln φ₁ und φ₂ der Wagenkästen zueinander und zwischen den beiden Wankstützmomenten M_W1 und M_W2 durch mechanische Mittel erzeugt werden.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die funktionellen Zusammenhänge zwischen den beiden Wankwinkeln φ₁ und φ₂ der Wagenkästen zueinander und zwischen den beiden Wankstützmomenten M_W1 und M_W2 durch hydraulische Mittel erzeugt werden.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wankbewegung der Wagenkästen zueinander in beiden den Mittel-Wagenkasten stützenden Gelenken bedämpft sind.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wankwinkel φ₁ und φ₂ der Wagenkästen zueinander in beiden den Mittel-Wagenkasten stützenden Gelenken begrenzt sind.