DE4414293C1 - Fahrwerk für Schienenfahrzeuge - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Fahrwerk für Schienen­ fahrzeuge, insbesondere Niederflurstadtbahnwagen, mit vier Losrädern, von denen die beiden in einer Fahrwerksquerebene angeordneten Losräder jeweils durch eine nicht mit umlau­ fende Achsbrücke zu einem Losradpaar ohne Koppelung der Drehbewegung dieser Losräder verbunden sind.

Bei herkömmlichen Radsätzen sind zwei an ihrer Lauffläche beispielsweise konisch profilierte Räder durch eine ver­ drehsteife Radsatzwelle miteinander verbunden, also auch in ihrer Drehzahl gekoppelt. Ein solcher Radsatz hat die Eigenschaft, sich im Spurkanal entlang einer sinusähnlichen Linie selbsttätig zu steuern, d. h., der Radsatz ist stets bestrebt, in der Mitte des Spurkanals zu laufen. Dabei bleibt der Spurkranz weitgehend frei von Führungskräften, zumindest in der Geraden und in Gleisbögen mit großem Radius. In engen Gleisbögen müssen nicht tangential zur Schiene ausgerichtete Räder quer zur Fahrtrichtung auf der Schiene verschoben werden. Diese sogenannte Wendebewegung erfolgt unter Beteiligung der Spurkränze gegen die Wirkung des zwischen Rad und Schiene vorliegenden Reibwertes. Hierbei ist für einen Radsatz, der einen engen Bogen ja nur mit Längsschlupf durchfahren kann, von einem durch das Vorhandensein des Längsschlupfes geminderten Haftreibwert auszugehen.

Bei Fahrwerken mit Losrädern der gattungsgemäßen Art - siehe EP 01 44 821 B1 - wird auf das Bauelement Rad­ satzwelle und damit auf eine wesentliche Grundlage der zuvor beschriebenen konventionellen Rad-Schiene-Technik verzich­ tet. Die oben genannte selbstzentrierende Eigenschaft des Radsatzes im Spurkanal ist bei einem Losradpaar nur gering. Das Losradpaar kann geringste tangentiale Fehlstellungen in bezug auf den Spurkanal selbst nicht korrigieren, wodurch die Spurkränze höher beansprucht werden. Des weiteren ist das Losradpaar zwar in der Lage, auch in engen Gleisbögen ohne Längsschlupf abzurollen; es benötigt jedoch höhere Führungskräfte am Spurkranz als der herkömmliche Radsatz, weil für die notwendige Wendebewegung bei nicht vorhandenem Längsschlupf der Haftreibwert in ungeminderter Größe zwi­ schen Rad und Schiene überwunden werden muß.

Durch die EP 0 511 949 A2 ist ein Verfahren bekannt zur Steuerung eines Fahrwerks ohne starre Achsverbindungen, bei welchem zumindest zwei gegenüberliegende Losräder einzeln von separat ansteuerbaren Elektromotoren angetrieben werden. Um bei einem solchen Losrad-Fahrwerk wenigstens für einige Fahrtzustände näherungsweise die gleichen Laufeigenschaften zu erzielen, die für selbstzentrierende Radsätze mit fester Querverbindung zwischen den Rädern gelten, wird die Leistung der Elektromotoren einander gegenüberliegender Räder peri­ odisch innerhalb vorbestimmter Bandbreiten erhöht oder erniedrigt, wobei die Leistungsänderung gegenphasig erfolgt. Für das Erzeugen eines solchen künstlichen Takt-Gegentakt- Rhythmus bedarf es spezieller Steuereinrichtungen.

In der DE 38 08 593 C2 ist ein Triebdrehgestell mit Losrädern beschrieben, von denen zwei in Querrichtung gegenüberlie­ gende Losräder über Getriebemittel torsionssteif verbunden sind. Dadurch sollen die Führungseigenschaften eines Rad­ satzes mit durchgehender Radsatzwelle weitgehend erhalten bleiben. Die als Ersatz für die Radsatzwelle dienenden Getriebemittel unterliegen allerdings äußerst hohen Bean­ spruchungen, vor allem beim Durchfahren enger Gleisbögen.

Zum Stand der Technik gehört ferner ein angetriebenes Fahrwerk mit lenkbaren Einzellaufwerken mit einer Zwangs­ steuerung (WO 91/02673 A1). Hierbei wird der Knickwinkel von gelenkig verbundenen Wagenkästen über ein Lenkgestänge auf die Einzellaufwerke für deren kurvenradiale Einstellung übertragen. Eine solche Zwangssteuerung bedeutet stets einen höheren baulichen Aufwand, wobei die gewollte kurvenradiale Einstellung der Laufwerke bei der Einfahrt und der Ausfahrt des Gelenkwagens in einen bzw. aus einem Gleisbogen nicht exakt vorliegen kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Losrädern eines Fahrwerks der gattungsgemäßen Art die Eigenschaft der selbsttätigen tangentialen Einstellung zur Schiene zu verleihen, wobei diese Eigenschaft sowohl in der Geraden als auch in jedem beliebigen Gleisbogen bestehen soll.

Diele Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die in Längsrichtung des Fahrwerks hintereinander angeordneten Losräder in ihrer Drehzahl gekoppelt sind, wobei die beiden aus Losrädern einer Fahrwerksquerebene gebildeten Losrad­ paare jeweils um eine in der Radpaarmitte angeordnete senkrechte Schwenkachse unabhängig von der Stellung des Fahrwerks zu irgendwelchen anderen Fahrzeugteilen schwenken können und beide Losradpaare in ihren Schwenk- bzw. Lenkbe­ wegungen gekoppelt sind.

Ein Fahrwerk mit den zuvor genannten Merkmalen kann vorteilhaft selbst­ tätig in allen Situationen eine Stellung im Spurkanal einnehmen, die das längs- und querschlupffreie Abrollen der Losräder ohne Anlaufwinkel zur Schiene hin ermöglicht.

Die Koppelung der Lenkbewegungen der beiden Losradpaare erfolgt nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung derart, daß die Lenkwinkel dieser Losradpaare betragsmäßig stets gleich groß sind, jedoch in entgegengesetzter Rich­ tung.

Gemäß einer nächsten vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind für die Drehzahlkoppelung der hintereinander angeordneten Losräder formschlüssig arbeitende Verbin­ dungsmittel vorgesehen, die einen den Lenkbewegungen der Losradpaare entsprechenden Längenausgleich beinhalten. Als formschlüssig arbeitende Verbindungsmittel sind beispiels­ weise Ketten oder Zahnriemen mit zugehörigen, am jeweiligen Losrad befestigten Zahnrädern denkbar.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorge­ sehen, daß die Verbindungsmittel jeweils mindestens aus zwei Winkelgetrieben und einer in ihrer Länge veränderbaren Koppelwelle gebildet sind. Ein Winkelgetriebe jeder Fahr­ werkslängsseite kann mit der Antriebswelle eines Fahrmotors verbunden sein, der z. B. am oder im Wagenkasten des Schienenfahrzeugs angeordnet ist.

Um die Drehzahlkoppelung der hintereinander angeordneten Losräder vorteilhaft mit einem Antrieb zu kombinieren, besteht eine nächste Ausführungsform der Erfindung darin, daß die Verbindungsmittel jeweils zwei Winkelgetriebe, einen damit verbundenen längsliegenden Fahrmotor sowie eine zwischen dem jeweiligen Winkelgetriebe und dem Losrad angeordnete Ausgleichskupplung aufweisen.

Im Hinblick auf eine robuste Gestaltung des Fahrwerks mit rein mechanischen Mitteln, ist nach erfindungsgemäßen Weiterbildungen vorgesehen, daß die Lenkkoppelung der Losradpaare nur über Lenker oder über Hebel und Lenker erfolgt.

Gemäß einer vor allem für den Fahrkomfort günstigen Aus­ führungsform der Erfindung ist die Achsbrücke jedes Losrad­ paares über Primärfedern gegenüber einem Fahrwerksrahmen abgefedert, wobei die Federn ihrer Elastizität entsprechende Bewegungen der Achsbrücke nicht nur in vertikaler Richtung, sondern auch in Querrichtung und vor allem für die Lenkbe­ wegungen der Losradpaare in Längsrichtung zulassen. Die vertikalen Federbewegungen der Achsbrücken können über dieselben Ausgleichskupplungen kompensiert werden, welche die Lenkbewegungen der Losradpaare zueinander erlauben.

Eine weitere, günstige Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß zumindest eine der beiden Schwenkachsen virtuell ausgebildet ist.

Bei dem dem erfindungsgemäß ausgebildeten Koppelradfahrwerk werden also nicht nur alle Nachteile eines Losrades gegenüber einem konventionellen Radsatz vermieden, sondern die Vorteile des Radsatzes für die Fahrt in der Geraden und im Gleisbogen mit großem Radius auch in engen Gleisbögen beibehalten.

Im weiteren werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert, die in den Zeichnungen schematisch dargestellt sind. Die Fig. 1a, 1b und 2 zeigen jeweils das Prinzip eines Koppelradfahrwerks in der Draufsicht.

Wie aus den Fig. 1a, 1b und 2 ersichtlich ist, hat das Fahrwerk insgesamt vier Losräder 1, die paarweise an jeweils einer Achsbrücke 2 drehbar gelagert sind. Die nicht rotie­ renden Achsbrücken 2 können in Richtung auf das Niveau der Schienen 11 gekröpft ausgebildet sein, um auch im Bereich des Fahrwerks einen Niederflurwagen mit tiefliegendem Fußboden zu ermöglichen.

Die in Längsrichtung des Fahrwerks hintereinander angeord­ neten Losräder 1 sind in ihrer Drehzahl durch formschlüssig arbeitende Verbindungsmittel gekoppelt. Gemäß Fig. 1a und 1b erfolgt diese Koppelung über ein an jedem Losrad 1 ange­ schlossenes Winkelgetriebe 3 und jeweils eine Koppelwelle 4. Nach Fig. 2 sind die Losräder 1 jeder Fahrwerksseite mit Hilfe eines Fahrmotors 5 und der Winkelgetriebe 3 mit im Ausführungsbeispiel weiteren Stirnrädern 3a in ihrer Dreh­ zahl gekoppelt und natürlich angetrieben.

Zusätzlich zu der vorbeschriebenen Drehzahlkoppelung sind die in Querrichtung der Fahrwerks nebeneinander liegenden Paare von Losrädern 1 in ihren Lenkbewegungen um senkrechte, in der Längsmittenachse des Fahrwerks angeordnete Schwenk­ achsen 12 derart miteinander gekoppelt, daß die Lenkwinkel dieser Radpaare betragsmäßig stets gleich groß sind, jedoch in entgegengesetzter Richtung. Die Lenkkoppelung der Los­ radpaare erfolgt beispielsweise durch den aus Fig. 1b ersichtlichen Lenker 8 oder durch die aus Fig. 1a und Fig. 2 ersichtlichen Hebel 7 und Lenker 8. Die Schwenkachsen 12 können körperlich ausgebildet sein (Fig. 1a und 1b) oder als virtuelle Achsen existieren (Fig. 2). Im Hinblick auf die Lenkbewegungen der Losradpaare sind die Koppelwellen 4 bei Fig. 1a und 1b in ihrer Länge teleskopartig veränderbar, z. B. durch integrierte Verzahnungen. Bei Fig. 2 ermöglichen zwischen jedem Losrad 1 und den Getriebemitteln angeordnete Ausgleichskupplungen 6 die besagten Lenkbewegungen. In engen Gleisbögen mit etwa 25 m Radius und bei einem Achsstand des Fahrwerks von z. B. 1800 mm liegen die Lenkwinkel in einer Größenordnung von 2° (bei dem einen Losradpaar + 2°, bei dem anderen - 2°).

Wie in Fig. 2 dargestellt, können die Achsbrücken 2 über Primärfedern 9 gegenüber einem Fahrwerksrahmen 10 abgefedert werden. Die Federn 9 - vorzugsweise Flexicoilfedern - sollen auch ihrer Elastizität entsprechende Federbewegungen der jeweiligen Achsbrücke 2 in Längsrichtung zulassen, um die gewünschte Lenkbewegung der Losradpaare zu ermöglichen. Die beispielhaft dargestellte Lenkkoppelung der beiden Radpaare in Fig. 2 läßt auch eine querelastische Radpaarführung über diese Primärfedern 9 im Fahrwerksrahmen 10 zu, ohne daß Querbewegungen der Radpaare die Lenkkoppelung beeinflussen. Zudem bleiben in diesem Ausführungsbeispiel alle Lagerstel­ len, die zur Darstellung der virtuellen Schwenkachsen 12 ausgeführt sind, frei von vertikalen Lasten. Die Aus­ gleichskupplungen 6 kompensieren alle Federbewegungen der Achsbrücken 2 in bezug auf den Fahrwerksrahmen 10 sowie eventuelle Federbewegungen der Motor-Getriebe-Einheiten (Teile 5 und 3 bzw. 3a), die ihrerseits elastisch am Fahrwerksrahmen 10 aufgehängt sein können.

Der das Koppelradfahrwerk bestimmende Grundgedanke der Spurführung ist vereinfacht ausgedrückt folgender:
Befindet sich das Fahrwerk in einer Schrägstellung im Spurkanal, d. h., es liegt ein Fehllenkwinkel vor, so führt dies zwangsläufig dazu, daß das vorlaufende Losradpaar beispielsweise an der linken Schiene 11 anläuft, während das nachlaufende Radpaar an der anderen, rechten Schiene 11 anläuft. Dies bedeutet, daß die hintereinander angeordneten, drehzahlgekoppelten Losräder 1 ihren Radaufstandspunkt bei verschiedenen Raddurchmessern haben. Bei der in diesem Beispiel betrachteten Stellung des Fahrwerks würde das linke vorlaufende Losrad 1 auf großem Raddurchmesser abrollen und das linke nachlaufende Rad 1 auf kleinem Durchmesser. Beide Räder 1 haben dieselbe Drehzahl, legen aber aufgrund der unterschiedlichen Raddurchmesser unterschiedliche Wege in gleicher Zeit zurück, d. h., ihr Radstand ändert sich. In umgekehrter Richtung läuft der gleiche Vorgang auf der anderen Seite des Fahrwerks ab.

Diese gegensätzliche Veränderung des Radstandes auf der linken und der rechten Fahrwerksseite ist gleichbedeutend mit einer Schwenkbewegung der Radpaare um ihre jeweilige Schwenkachse 12. Es erfolgt also eine Korrektur des Lenk­ winkels der Radpaare solange, wie die hintereinander lau­ fenden Räder nicht auf gleichem Durchmesser abrollen. Das System ist also stets bestrebt, Fehllenkwinkel zu korrigie­ ren, die ihr Resultat in der Veränderung der Lage der Radaufstandspunkte haben und somit in der Veränderung der wirksamen Raddurchmesser. Letztlich wird also dieses System ohne Fehllenkwinkel fahren. Wenn ohne Fehllenkwinkel gefah­ ren wird, kann schließlich die, wenn auch nur geringe, zentrierende Eigenschaft eines Losrades wirken.

Claims (9)

1. Fahrwerk für Schienenfahrzeuge, insbesondere für Niederflur­ stadtbahnwagen, mit vier Losrädern (1), von denen die beiden in einer Fahrwerksquerebene angeordneten Losräder (1) jeweils durch eine nicht mit umlaufende Achsbrücke (2) zu einem Losradpaar ohne Koppelung der Drehbewegung dieser Losräder (1) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die in Längsrichtung des Fahrwerks hintereinander angeordneten Losräder (1) in ihrer Drehzahl gekoppelt sind, wobei die beiden aus Losrädern (1) einer Fahrwerksquerebene gebildeten Losradpaare jeweils um eine in der Radpaarmitte angeordnete senkrechte Schwenkachse (12) unabhängig von der Stellung des Fahrwerks zu irgendwelchen anderen Fahrzeugteilen schwenken können und beide Losradpaare in ihren Schwenk- bzw. Lenkbe­ wegungen gekoppelt sind.

2. Fahrwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Losradpaare in ihren Lenkbewegungen derart gekoppelt sind, daß die Lenkwinkel dieser Losradpaare betragsmäßig stets gleich groß sind, jedoch in entgegengesetzter Rich­ tung.

3. Fahrwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die Drehzahlkoppelung der hintereinander angeordne­ ten Losräder (1) formschlüssig arbeitende Verbindungsmittel vorgesehen sind, die einen den Lenkbewegungen der Losrad­ paare entsprechenden Längenausgleich beinhalten.

4. Fahrwerk nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsmittel jeweils mindestens aus zwei Winkelgetrieben (3) und einer in ihrer Länge veränderbaren Koppelwelle (4) gebildet sind.

5. Fahrwerk nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsmittel jeweils zwei Winkelgetriebe (3), einen damit verbundenen längsliegenden Fahrmotor (5) sowie eine zwischen dem jeweiligen Winkelgetriebe (3) und dem Losrad (1) angeordnete Ausgleichskupplung (6) aufweisen.

6. Fahrwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Lenkkoppelung der Losradpaare nur über Lenker (8) erfolgt.

7. Fahrwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Lenkkoppelung der Losradpaare über Hebel (7) und Lenker (8) erfolgt.

8. Fahrwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsbrücke (2) jedes Losradpaares über Primärfedern (9) gegenüber einem Fahrwerksrahmen (10) abgefedert ist, wobei die Federn (9) ihrer Elastizität entsprechende Bewegungen der Achsbrücke (2) nicht nur in vertikaler Richtung, sondern auch in Querrichtung und vor allem für die Lenkbewegungen der Losradpaare in Längs­ richtung zulassen.

9. Fahrwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine der beiden Schwenkachsen (12) virtuell ausgebildet ist.