EP0655378B1 - Einrichtung und Verfahren von Radsätzen von Schienenfahrzeugen - Google Patents

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EP0655378B1
EP0655378B1 EP94118409A EP94118409A EP0655378B1 EP 0655378 B1 EP0655378 B1 EP 0655378B1 EP 94118409 A EP94118409 A EP 94118409A EP 94118409 A EP94118409 A EP 94118409A EP 0655378 B1 EP0655378 B1 EP 0655378B1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
force
running gear
gear according
axle running
axle
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP94118409A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP0655378A1 (de
Inventor
Hiden Helmut
Rudolf Sommerer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
INTEGRAL VERKEHRSTECHNIK AKTIENGESELLSCHAFT
Original Assignee
Integral Verkehrstechnik AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Integral Verkehrstechnik AG filed Critical Integral Verkehrstechnik AG
Priority to EP96119274A priority Critical patent/EP0765791B1/de
Publication of EP0655378A1 publication Critical patent/EP0655378A1/de
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61F—RAIL VEHICLE SUSPENSIONS, e.g. UNDERFRAMES, BOGIES OR ARRANGEMENTS OF WHEEL AXLES; RAIL VEHICLES FOR USE ON TRACKS OF DIFFERENT WIDTH; PREVENTING DERAILING OF RAIL VEHICLES; WHEEL GUARDS, OBSTRUCTION REMOVERS OR THE LIKE FOR RAIL VEHICLES
    • B61F5/00—Constructional details of bogies; Connections between bogies and vehicle underframes; Arrangements or devices for adjusting or allowing self-adjustment of wheel axles or bogies when rounding curves
    • B61F5/38—Arrangements or devices for adjusting or allowing self- adjustment of wheel axles or bogies when rounding curves, e.g. sliding axles, swinging axles
    • B61F5/386—Arrangements or devices for adjusting or allowing self- adjustment of wheel axles or bogies when rounding curves, e.g. sliding axles, swinging axles fluid actuated

Definitions

  • the invention relates to a single-axle drive and a method for controlling a wheel set for a rail vehicle according to the top handle of claims 1 and 25 respectively.
  • a wheel set of a rail vehicle that has a corresponding Has profile of the wheel arches when cornering on a curved track can perform independent steering movement around a vertical axis.
  • a conical profile of the tread occurs on a track arch a roll radius difference between the inner and outer running circle, whereby a radial adjustment movement of the wheel set is caused.
  • the lowest possible starting angle is between Wheel and rail worth striving for.
  • the wheelset should be in its Freedom of movement around the vertical axis should be restricted as little as possible.
  • a wheel set which is softly coupled to the vehicle in this way occurs during the run in a straight sine or wave course, which is inherently harmless. From one At a certain speed, however, the sinus run suddenly hits the dangerous one and wearing zigzag around. This speed limit is called critical Speed denotes, it essentially determines the highest permissible Speed of the vehicle with.
  • a device for generating a restoring force which acts against radial rotation of the wheelset.
  • the restoring force by at least one acting on the wheelset elastic resilient element exercised.
  • a known approach provides that the steering deflection of the wheelset priority control is set, i.e. through a mechanical coupling of the Steering deflection of the wheel set with another of the radius of the curve dependent mechanical size.
  • This size is e.g. the deflection angle between a bogie for storing two wheel sets and the body.
  • the turning angle of the wheelset is not determined by the between the wheels and rail occurring forces, but mechanically due to purely geometric Conditions.
  • a positive control of a chassis for rail vehicles with mechanical or hydraulic coupling of the wheels is for example from DE-A-36 35 804 known.
  • CH-A-390 980 shows a control device for a single axis drive, at the control of the wheel set on the left and right of the swivel axis of the drive arranged gas-filled elastic bellows takes place in which while driving straight ahead the same medium pressure prevails.
  • a recording device Before a left or right curve a recording device transmits a single signal via the respective sense of the curve following curve. Depending on the direction of the curve, one of the bellows with the pressure medium is applied the maximum pressure is applied and the other is emptied.
  • a device of the type mentioned is known from DE-C-882 562. Then a single-axis drive is also shown, in which a spring-elastic Device generates a restoring force against a steering deflection of the wheel set becomes. Furthermore, an actuator is shown in DE-C-882 562, which acts on the wheelset and that is controlled by a control or regulating device. Their input size is picked up by sensing elements arranged on the side of the rails, which determine the relative position between the wheelset and rails, depending The wheel set is positively controlled by this input variable.
  • the object of the invention compared to DE-C-882 562 is an improved To provide single-axis drive or method, which is essential when cornering with a lower accuracy must be controlled without the described Disadvantages of the chassis of DE-C-882 562 occur.
  • the restoring force can be set high in the device according to the invention, which ensures the desired stability of the vehicle running at a high limit speed is achieved.
  • cornering depending on the radius of the track arch exerted a counterforce acting against the restoring force This gives the wheelset a pre-control effect.
  • this means no forced control since the angular position of the Wheelset still by the forces occurring between wheel and rail is set independently. The result is a very small run-up angle between Wheel and rail and therefore excellent wear behavior.
  • the two contrary requirements of a high limit speed and good sheet running properties were thus almost from the device according to the invention ideally met.
  • the strength of the counterforce is approximate inversely proportional to the radius of the curve (or proportional for the curvature of the curve). This is the radius of the track curve detected by a corresponding device, for example by evaluating the Deflection angle of a bogie used to support two wheel sets.
  • the counterforce in contrast to the restoring force is a path-independent force, i.e. it is independent from the deflection of the wheelset.
  • At least one proportional Pressure control valve for example, at least one proportional Pressure control valve, a proportional pressure relief valve or pressure-controlled pump can be used.
  • a proportional pressure relief valve or pressure-controlled pump can be used.
  • about instabilities with small deflections Avoiding in straight-ahead running is the one acting against the restoring force Counterforce preferably only from a certain threshold of the detected Radius of the circular arc exercised.
  • Fig. 1 two wheel sets 1, 1 'rotatable about a vertical axis are shown at the two ends of a bogie that can also be rotated about a vertical axis 8 are stored.
  • the wheel sets 1, 1 'consist of axles 2, the axle bearings 3 and the wheels 4, the tread 5 provided with a conical profile are, which leads to the described self-steering effect when traveling through an arc.
  • Resilient elements for example springs 6, act on the axle bearings 3 Exercise restoring force, which acts against a deflection ⁇ of the wheel sets.
  • Means The devices 7 according to the invention can have a counterforce acting against the Restoring force acts.
  • the electro-hydraulic control device 20 consists of a hydraulic fluid reservoir 21, a pump 22, a pressure return 23, a throttle 24 and two electronically controlled proportional pressure regulating valves 12, 13, the outlet side of which Pressure is set by a voltage that the control device 11 issues.
  • the bogie 2 When traveling on a curved track, the bogie 2 rotates relative to that Car body (not shown) through an angle ⁇ that is proportional to curvature of the track arch.
  • a transducer 10 which in this embodiment essentially contains a potentiometer, the deflection angle ⁇ des Bogie converted into a control voltage U.
  • the amount of this tension is proportional to the deflection angle ⁇ (and thus to the curvature of the curve) and her The sign depends on the direction of rotation.
  • Threshold elements 30, 31 subsequently check the magnitude and the sign of the voltage U. If U is above a certain threshold value U o , the voltage U is switched through to the output of the threshold element 30. It is then amplified by the amplifier 32 and used to control the pressure control valve 12. As a result, the pistons of the cylinders 7 are acted upon by a pressure proportional to U via the hydraulic line 40.
  • both outputs of the threshold members 30, 31 are de-energized and the outputs of the pressure control valves are depressurized, so that no force is exerted on the pistons of the cylinders 7. This ensures stable straight running, even if there are small deflections of the bogie. If the outputs of the two threshold elements 30, 31 are de-energized, this also applies to the output of the OR gate 34. A switching element 35 then switches off the pump motor 22a after a predetermined time delay via a switch 36. The pump 22 thus only works when cornering.
  • FIG. 2 An alternative embodiment of the electro-hydraulic control device 20 is shown in Fig. 2.
  • the control voltage U controls two electronically controlled proportional pressure relief valves 112, 113 from Mannesmann Rexroth, type DBETE St / 200 624.
  • the valves 112, 113 only respond to positive values of U, whereby the hydraulic line 140 or 141 to be pressurized is selected in connection with the inverter 111.
  • the valves 112, 113 also have a setting for specifying a threshold value U o for the voltage U, below which no pressure is exerted on the pistons.
  • the adhesion limit F G between rail and wheels indicates the maximum size of the radial adjustment force due to the self-steering effect.
  • the intersection of F x and F G determines the maximum axle bearing displacement S m in a conventional axle control, which can be achieved during an arc travel against the restoring force.
  • the ideal axle bearing shift in which the steering deflection of the wheel set is optimally adapted to the radius of the track curve, can, however, be at a larger value S i .
  • the track radius S m is far below S i with a small radius, so that a large run-up angle between wheel and rail results in unfavorable wear behavior.
  • Fig. 3b shows the conditions during the setup.
  • the counterforce against the restoring force can be represented as a downward shift of the straight line F x by a value F y .
  • F y corresponds to the force with which the cylinders 7 (see Fig. 1) are applied.
  • the size of F y is chosen so that the shifted straight line F x 'intersects the x-axis approximately at S i .
  • F y does not have to be set very precisely, but can lie in a relatively large range, which is given by the fact that the intersection of F x 'with the x-axis lies within the free adjustment range FE between S i -S m and S i + S m lies within which the wheelset can adjust itself automatically to the optimal steering deflection S i .
  • F y Since S i is proportional to the curvature of the track curve, F y must also be approximately proportional to the curvature of the track curve, so that the x-axis intersection of F x lies between S i -S m and S i + S m for each curve of the track curve.
  • the proportionality constant of F y is determined from the spring constant c of the return spring.
  • FIG. 4 Another possible embodiment of the device is shown in Fig. 4 shown.
  • the facilities for generating the restoring force and combined to generate the counterforce to form a structural unit To becomes a hydraulic or pneumatic piston 70 against the cylinder 71, in which it is guided, elastically clamped, for example in the manner shown with a spring 72. Via hydraulic lines 73, 74, the cylinder can be deflected when the Pressure against the force of the spring.
  • a single-axis drive according to the invention with one individually in a chassis frame 50 guided wheel set 51 is shown in Figs. 6-8.
  • the wheel set 51 can be driven by a motor 52 via a gear 53 and a clutch 54 his.
  • the wheels 59, 59 'of the wheel set 51 are via a wheel set shaft 65 rigidly connected.
  • the wheelset 51 is supported in the axle bearings 55 (see Fig. 8), via a primary suspension 56 with the chassis frame 50 are connected.
  • the undercarriage frame 50 is provided with a secondary suspension Air springs 57 is formed, connected to the car body 60.
  • the Chassis frame 50 is articulated to a guide crossmember or a yoke 58.
  • the resilient element 6 is advantageously formed by a centering spring element, shown in Fig. 9.
  • This has a housing 80 with stops 80a fixed to the housing, against which stop rings 83 rest in the idle state. Between the stop rings 83 a spring 81 is placed under prestress.
  • the rod 84 passing through the housing 80 has two flanges 85 within the housing 80 at a distance from the stops 80a of the housing 80, between which the stop rings 83 lie.
  • the behavior of the centering spring element in the event of a force exerted on the rod 84 is described by the characteristic curve shown in FIG. 10. With a force that is below a certain threshold value F s , there is no displacement of the rod 84, since the spring 81 is under a prestress.
  • the chassis frame can be centered with only a single spring element 6 and the characteristic curve of the centering spring element shown in FIG. 10 leads to an improvement in the stability of the drive according to the invention when driving straight ahead.
  • a sensor 67 for example an inductive displacement sensor, which detects the actual value of the steering deflection, could detect a malfunction, for example in the Hydraulic system can be used.
  • the single-axle running gear shown in Fig. 6 - 8 is extremely comfortable to drive, because it perfectly fulfills the diverse requirements for a drive. Even if the hydraulic system fails, safety is guaranteed due to the self-centering of the wheel set 51 by means of the spring element 6.
  • An advantage over conventional bogie is the possible saving of axles what leads to a reduction in costs.

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Description

Die Erfindung betrifft eine Einzelachslaufwerk bzw. ein Verfahren zur Steuerung einer Radsatzes für ein Schienenfahrzeug entsprechend dem Obergriff der Ansprüche 1 bzw. 25.
Es ist bekannt daß ein Radsatz eines Schienenfahrzeuges, der ein entsprechendes Profil der Radlaufflächen aufweist, bei einer Kurvenfahrt auf einem Gleisbogen eine selbständige Lenkbewegung um eine vertikale Achse ausführen kann. Bei einem beispielsweise konischen Profil der Lauffläche kommt es auf einem Gleisbogen zu einer Rollradiendifferenz zwischen bogeninnerem und bogenäußerem Laufkreis, wodurch eine radiale Einstellbewegung des Radsatzes hervorgerufen wird.
Für ein günstiges Verschleißverhalten ist ein möglichst geringer Anlaufwinkel zwischen Rad und Schiene erstrebenswert. Zu diesem Zweck sollte der Radsatz in seiner Bewegungsfreiheit um die vertikale Achse möglichst wenig eingeschränkt sein. Bei einem in dieser Art weich an das Fahrzeug angekoppelten Radsatz tritt beim Lauf in einer Geraden Sinus- oder Wellenlauf auf, der an sich ungefährlich ist. Ab einer gewissen Geschwindigkeit schlägt der Sinuslauf jedoch plötzlich in den gefährlichen und verschleißenden Zickzacklauf um. Diese Geschwindigkeitsgrenze wird als kritische Geschwindigkeit bezeichnet, sie bestimmt ganz wesentlich die höchste zulässige Geschwindigkeit des Fahrzeuges mit.
Um dem Zickzacklauf entgegenzuwirken und eine hohe Grenzgeschwindigkeit zu erreichen, wird daher bekannterweise eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Rückstellkraft, die gegen eine radiale Verdrehung des Radsatzes wirkt, verwendet. Beispielsweise wird die Rückstellkraft durch mindestens ein am Radsatz angreifendes elastisch federndes Element ausgeübt.
Bei der Auslegung von Fahrwerken, die sowohl für hohe Geschwindigkeiten geeignet sind, als auch gute Bogenlaufeigenschaften (geringer Verschleiß) aufweisen, ergibt sich nunmehr folgende widersprüchliche Situation: Für gute Bogenlaufeigenschaften mit geringem Verschleiß soll der Radsatz weich an das Fahrzeug angekoppelt sein, d.h. die Rückstellkraft ist gering, hingegen erfordern hohe Geschwindigkeiten eine große Rückstellkraft.
Ein bekannter Lösungsansatz sieht vor, daß der Lenkausschlag des Radsatzes durch eine Zwangssteuerung eingestellt wird, d.h. durch eine mechanische Kopplung des Lenkausschlages des Radsatzes mit einer weiteren vom Radius des Gleisbogens abhängigen mechanischen Größe. Diese Größe ist z.B. der Auslenkwinkel zwischen einem zur Lagerung von zwei Radsätzen dienenden Drehgestell und dem Wagenkasten. Der Wendewinkel des Radsatzes wird dabei nicht durch die zwischen Rad und Schiene auftretenden Kräfte, sondern mechanisch aufgrund rein geometrischer Bedingungen erzeugt.
Diese Lösung hat zwei wesentliche Nachteile:
  • Einerseits sind sehr hohe Einstellgenauigkeiten bei der mechanischen Kopplung erforderlich, die im Betrieb nur mit hohem Aufwand erreicht werden können, andererseits können Drehgestellausdrehungen in einer Geraden aufgrund von Gleislagestörungen unerwünschte Radsatzauslenkungen und instabilen Lauf (Zickzacklauf) bewirken.
    • Eine Zwangssteuerung eines Fahrwerks für Schienenfahrzeuge mit mechanischer oder hydraulischer Kopplung der Räder ist beispielsweise aus der DE-A-36 35 804 bekannt.
    Die CH-A-390 980 zeigt eine Steuerungsvorrichtung für ein Einzelachslaufwerks, bei der die Steuerung des Radsatzes über links und rechts der Schwenkachse des Laufwerkes angeordnete gasgefüllte elastische Bälge erfolgt, in denen während der Geradeausfahrt der gleiche mittlere Druck herrscht. Vor einer Links- bzw. Rechtskurve übermittelt eine Aufnahmeeinrichtung ein einzelnes Signal über den jeweiligen Kurvensinn der folgenden Kurve. Je nach Kurvensinn wird einer der Bälge mit dem Druckmittel auf den Maximaldruck beaufschlagt und der andere entleert.
    Eine Einrichtung der eingangs genannten Art ist aus der DE-C-882 562 bekannt. Dann ist ebenfalls ein Einzelachslaufwerk gezeigt, bei dem von einer federelastischen Vorrichtung eine Rückstellkraft gegen einen Lenkausschlag des Radsatzes erzeugt wird. Weiters ist in der DE-C-882 562 ein Stellglied gezeigt, das auf den Radsatz einwirkt und das von einer Steuer- bzw. Regeleinrichtung angesteuert ist. Deren Eingangsgröße wird von seitlich der Schienen angeordneten Fühlorganen aufgenommen, welche die relative Lage zwischen Radsatz und Schienen erfassen, In Abhängigkeit von dieser Eingangsgröße wird der Radsatz zwangsgesteuert.
    Nachteilig an dieser Zwangslenkung unter Verwendung weggeregelter Steliglieder ist die hohe Präzision, die bei der Lenkung des Radsatzes erforderlich ist Weicht die eingestellte Auslenkung des Radsatzes nur geringfügig vom idealwert ab, so führt dies zu einem ungünstigen Abrollverhalten und zu einem hohen Verschleiß.
    Aufgabe der Erfindung gegenüber der DE-C-882 562 ist es, ein verbessertes Einzelachslaufwerk bzw. Verfahren bereitzustellen, welches bei Kurvenfahrten mit einer wesentlich geringeren Genauigkeit angesteuert werden muß, ohne daß die beschriebenen Nachteile des Fahrwerks der DE-C-882 562 auftreten.
    Erfindungsgemäß wird dies durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruches 1 bzw. 25 erreicht.
    Die Rückstellkraft kann bei der erfindungsgemäßen Einrichtung hoch eingestellt werden, wodurch die gewünschte Stabilität des Fahrzeuglaufes mit einer hohen Grenzgeschwindigkeit erreicht wird. Bei einer Kurvenfahrt wird in Abhängigkeit vom Radius des Gleisbogens eine gegen die Rückstellkraft wirkende Gegenkraft ausgeübt Dadurch erzielt man einen Vorsteuereffekt des Radsatzes. Dies bedeutet jedoch keine Zwangssteuerung, da die dem Gleisbogen exakt angepaßte Winkelstellung des Radsatzes nach wie vor durch die zwischen Rad und Schiene auftretenden Kräfte selbständig eingestellt wird. Das Ergebnis ist ein sehr geringer Anlaufwinkel zwischen Rad und Schiene und damit ein hervorragendes Verschleißverhalten. Die beiden gegensätzlichen Forderungen einer hohen Grenzgeschwindigkeit und guter Bogenlaufeigenschaften wurden somit von der erfindungsgemäßen Einrichtung in nahezu idealer Weise erfüllt.
    Zur Erzielung eines optimalen Vorsteuereffektes wird die Stärke der Gegenkraft näherungsweise umgekehrt proportional zum Radius des Gleisbogens (bzw. proportional zur Krümmung des Gleisbogens) eingestellt. Dazu wird der Radius des Gleisbogens von einer entsprechenden Einrichtung erfaßt, beispielsweise unter Auswertung des Auslenkwinkels eines zur Lagerung von zwei Radsätzen dienenden Drehgestells. Für die Funktion der erfindungsgemäßen Einrichtung ist es günstig, wenn die Gegenkraft im Gegensatz zur Rückstellkraft eine wegunabhängige Kraft ist, d.h. sie ist unabhängig von der Auslenkung des Radsatzes.
    Zur Einstellung der Stärke der Gegenkraft kann beispielsweise mindestens ein proportionales Druckregelventil, ein proportionales Druckbegrenzerventil oder eine druckgeregelte Pumpe verwendet werden. Um Instabilitäten bei kleinen Auslenkungen im Geradeauslauf zu vermeiden, wird die gegen die Rückstellkraft wirkende Gegenkraft bevorzugterweise erst ab einem bestimmten Schwellenwert des erfaßten Radius des Kreisbogens ausgeübt.
    Weiters ist es denkbar, die Geschwindigkeit des Kraftanstieges durch eine geeignete Schaltung so nach oben hin zu begrenzen, daß schnelle Änderungen der Stellgröße (z.B. Ausdrehwinkel des Drehgestells) nicht in gleichem Maß auf die Lenkbewegungen des Radsatzes wirken, sondern die Radsatz-Lenkbewegungen langsamer erfolgen.
    Weitere Einzelheiten der erfindungsgemäßen Einrichtung werden anschließend anhand der Zeichnungen erörtert. In diesen ist:
  • Abb. 1 ein nicht unter den Anspruch 1 fallendes Beispiel zur Illustration des Anwendungsgebietes mit zwei an einem Drehgestell gelagerten Radsätzen, welches die Steuerung der Radsätze mit Hilfe einer Einrichtung zur Erzeugung einer Gegenkraft und einer elektrohydraulischen Regeleinrichtung zeigt; Abb. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel der elektrohydraulischen Regeleinrichtung; Abb. 3 ein Diagramm der Kennlinie der Rückstellkraft ohne (a) und in Kombination mit der Gegenkraft (b); Abb. 4 zu einer baulichen Einheit zusammengefaßte Einrichtungen zur Erzeugung der Rückstellkraft, sowie zur Erzeugung der Gegenkraft; Abb. 5 eine schematische Darstellung eines einzeln aufgehängten Radsatzes; Abb. 6 eine Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Einzelachslaufwerk; Abb. 7 die Ansicht des Fahrwerkes aus Abb. 6 von vorne; Abb. 8 dessen Seitenansicht; Abb. 9 eine schematische Abbildung eines Zentrierfederelementes und Abb. 10 dessen Kraft-Weg-Kennlinie.
    • In Abb. 1 sind zwei um eine vertikale Achse rotierbare Radsätze 1,1' dargestellt, die an den beiden Enden eines ebenfalls um eine vertikale Achse rotierbaren Drehgestelles 8 gelagert sind. Die Radsätze 1,1' bestehen aus den Achsen 2, den Achslagern 3 und den Rädern 4, deren Laufflächen 5 mit einem konischen Profil versehen sind, das bei einer Bogenfahrt zu dem beschriebenen Selbststeuereffekt führt. Die Radsätze 1,1' werden dabei um einen Winkel β ausgelenkt bzw. ihre Achslager 3 um eine Strecke S verschoben.
    An den Achslagern 3 greifen federnde Elemente, beispielsweise Federn 6 an, die eine Rückstellkraft ausüben, welche gegen eine Auslenkung β der Radsätze wirkt. Mittels der erfindungsgemäßen Einrichtungen 7 kann eine Gegenkraft, die gegen die Rückstellkraft wirkt, ausgeübt werden.
    Die elektrohydraulische Regeleinrichtung 20 besteht aus einem Hydraulikflüssigkeits-Reservoir 21, einer Pumpe 22, einer Überdruck-Rücklauf 23, einer Drossel 24 und zwei elektronisch gesteuerten proportionalen Druckregelventilen 12,13, deren ausgangsseitiger Druck jeweils von einer Spannung eingestellt wird, die die Steuereinrichtung 11 ausgibt.
    Bei einer Fahrt auf einem Gleisbogen verdreht sich das Drehgestell 2 gegenüber dem Wagenkasten (nicht dargestellt) um einen Winkel α, der proportional zu Krümmung des Gleisbogens ist. Mit Hilfe eines Aufnehmers 10, der in diesem Ausführungsbeispiel im wesentlichen ein Potentiometer beinhaltet, wird der Auslenkwinkel α des Drehgestells in eine Steuerspannung U umgesetzt. Der Betrag dieser Spannung ist proportional zum Auslenkwinkel α (und damit zur Krümmung des Gleisbogens) und ihr Vorzeichen hängt von der Drehrichtung ab.
    Schwellenglieder 30,31 überprüfen in der Folge den Betrag und das Vorzeichen der Spannung U. Liegt U oberhalb eines bestimmten Schwellenwertes Uo, so wird die Spannung U auf den Ausgang des Schwellengliedes 30 durchgeschaltet. Sie wird dann vom Verstärker 32 verstärkt und zur Ansteuerung des Druckregelventils 12 verwendet Dadurch werden die Kolben der Zylinder 7 über die Hydraulikleitung 40 mit einem Druck proportional U beaufschlagt.
    Im entgegengesetzten Fall, wenn U unterhalb eines Schwellenwertes -Uo liegt, wird über den Verstärker 33 das Druckregelventil 13 angesteuert, wodurch die Kolben der Zylinder 7 über die Hydraulikleitung 41 mit einem Druck proportional U beaufschlagt werden.
    Der Druck auf die Kolben der Zylinder 7 wird dabei immer auf die Weise ausgeübt, daß eine Kraft gegen die Rückstellkraft der Federn wirkt. Im Falle der in Abb. 1 gezeigten Auslenkung des Drehgestells im Uhrzeigersinn wird sich der obere Radsatz um einen bestimmten Winkel β im Uhrzeigersinn verstellen. Die Federn 6 üben gegen diese Auslenkung eine Rückstellkraft aus. Um eine Kraft gegen die Rückstellkraft aufzubringen, muß der linke Kolben des oberen Radsatzes auf seiner achsfernen, der rechte auf seiner achsnahen Seite mit einem entsprechenden Druck beaufschlagt werden.
    Falls U im Bereich zwischen -Uo und Uo liegt, sind beide Ausgänge der Schwellenglieder 30,31 spannungslos und die Ausgänge der Druckregelventile sind drucklos, sodaß auf die Kolben der Zylinder 7 keine Kraft ausgeübt wird. Dies gewährleistet einen stabilen Geradeauslauf, auch wenn dabei kleine Auslenkungen des Drehgestells auftreten. Wenn die Ausgänge der beiden Schwellenglieder 30,31 spannungslos sind, so gilt dies auch für den Ausgang des ODER-Gatters 34. Ein Schaltelement 35 stellt dann nach einer vorgegebenen Zeitverzögerung über einen Schalter 36 den Pumpenmotor 22a ab. Die Pumpe 22 arbeitet somit nur bei Kurvenfahrten.
    Eine alternative Ausführung der elektrohydraulischen Regeleinrichtung 20 ist in Abb. 2 gezeigt. Die Steuerspannung U steuert hier zwei elektronisch gesteuerte proportionale Druckbegrenzungsventile 112, 113 der Firma Mannesmann Rexroth, Typ DBETE St/200 624. In diesem Fall ist zur Ansteuerung der Ventile nur ein Invertierer 111 notwendig, der für das Ventil 113 das Vorzeichen der Steuerspannung umkehrt. Die Ventile 112,113 sprechen nur auf positive Werte von U an, wodurch in Verbindung mit dem Invertierer 111 die mit Druck zu beaufschlagende Hydraulikleitung 140 oder 141 selektiert wird. Die Ventile 112, 113 besitzen außerdem eine Einstellung zur Vorgabe eines Schwellenwertes Uo für die Spannung U, unterhalb dessen kein Druck auf die Kolben ausgeübt wird. Weiters gibt es die Möglichkeit, einen Grenzwert für die maximale Anstiegsgeschwindigkeit des Druckes vorzugeben. Diese Ausführungsform hat gegenüber der Regeleinrichtung aus Abb.1 den Vorteil, daß bei einer Steuerspannung U<Uo kein Druck im Pumpenkreislauf aufgebaut wird, sodaß die Pumpe in energetisch günstiger Weise im Leerlauf arbeiten kann.
    Die Funktionsweise der Einrichtung kann am einfachsten anhand Abb. 3 erklärt werden. In Abb. 3a ist die Abhängigkeit der Rückstellkraft von der Achslagerverschiebung s (siehe Abb. 1) als Gerade Fx=c·S eingezeichnet, mit c der Federkonstanten. Die Kraftschlußgrenze FG zwischen Schiene und Rädern gibt die maximale Größe der radialen Einstellkraft aufgrund des Selbststeuereffektes an. Der Schnittpunkt von Fx und FG bestimmt in einer konventionellen Achssteuerung die maximale Achslagerverschiebung Sm, die bei einer Bogenfahrt gegen die Rückstellkraft erreichbar ist. Die ideale Achslagerverschiebung, bei der der Lenkausschlag des Radsatzes optimal an den Radius des Gleisbogens angepaßt ist, kann demgegenüber jedoch bei einem größeren Wert Si liegen. Besonders bei harten Federn mit einer großen Federkonstanten c, die hohe Grenzgeschwindigkeiten erlauben, liegt bei einem kleinen Radius des Gleisbogens Sm weit unterhalb von Si, sodaß ein großer Anlaufwinkel zwischen Rad und Schiene mit einem ungünstigen Verschleißverhalten die Folge ist.
    Abb. 3b zeigt die Verhältnisse bei der Einrichtung. Die Gegenkraft gegen die Rückstellkraft kann als Verschiebung der Geraden Fx um einen Wert Fy nach unten dargestellt werden. Fy entspricht dabei der Kraft, mit der die Zylinder 7 (siehe Abb. 1) beaufschlagt werden. Die Größe von Fy wird so gewählt, daß die verschobene Gerade Fx' die x-Achse etwa bei Si schneidet. Fy muß aber nicht sehr genau eingestellt werden, sondern kann in einem relativ großen Bereich liegen, der dadurch gegeben ist, daß der Schnittpunkt von Fx' mit der x-Achse innerhalb des freien Einstellbereiches FE zwischen Si-Sm und Si+Sm liegt, innerhalb dessen sich der Radsatz selbständig auf den optimalen Lenkausschlag Si einstellen kann.
    Da Si proportional zur Krümmung des Gleisbogens ist, muß auch Fy in etwa proportional zur Krümmung des Gleisbogens sein, damit der x-Achsenschnittpunkt von Fx bei jeder Krümmung des Gleisbogens zwischen Si-Sm und Si+Sm liegt. Die Proportionalitätskonstante von Fy wird aus der Federkonstanten c der Rückstellfeder bestimmt.
    Eine andere mögliche Ausführungsform der Einrichtung wird in Abb. 4 gezeigt. In dieser sind die Einrichtungen zur Erzeugung der Rückstellkraft und zur Erzeugung der Gegenkraft zu einer baulichen Einheit zusammengefaßt. Dazu wird ein hydraulischer oder pneumatischer Kolben 70 gegen den Zylinder 71, in dem er geführt wird, elastisch verspannt, beispielsweise in der gezeigten Art mit einer Feder 72. Über Hydraulikleitungen 73,74 kann der Zylinder bei einer Auslenkung der Feder mit einem Druck gegen die Kraft der Feder beaufschlagt werden.
    Zur Anwendung der Erfindung sind nun nicht jeweils zwei Radsätze gemeinsam an einem Drehgestell gelagert. Wie in Abb. 5 gezeigt, erfolgt bei einzeln gelagerten Radsätzen 1 die Anbringung von Einrichtungen 7, die eine Gegenkraft gegen die Rückstellkraft von federnden Elementen 6 ausüben. Die Einrichtung zur Erfassung des Gleisbogenradius kann in diesem Fall natürlich nicht den Auslenkwinkel eines Drehgestells ausnutzen, sondern muß auf eine andere Art arbeiten. Beispielsweise ließe sich der Winkel zwischen zwei Wagenkästen zur Erfassung des Gleisbogenradius heranziehen. Weiters sind zu diesem Zweck Hilfsräder oder optische Einrichtungen denkbar und möglich. Weiters ist es denkbar und möglich, auch bei einzeln gelagerten Rädern Einrichtungen zur Ausübung einer Rückstellkraft und einer Gegenkraft gegen die Rückstellkraft auf analoge Weise wie bei Radsätzen anzubringen.
    Zur Ausübung der Rückstellkraft können alle denkbaren federnden Einrichtungen eingesetzt werden, wie beispielsweise Gummibälge oder Pneumatikfedern. Zur Ausübung der Gegenkraft kommen alle krafterzeugenden Elemente infrage, die eine im wesentlichen ortsunabhängige Kraft erzeugen, beispielsweise Hydraulikzylinder, Pneumatikzylinder oder Luftfederbälge.
    Ein erfindungsgemäßes Einzelachslaufwerk mit einem einzeln in einem Fahrwerksrahmen 50 geführten Radsatz 51 ist in den Abb. 6 - 8 dargestellt. Der Radsatz 51 kann dabei von einem Motor 52 über ein Getriebe 53 und eine Kupplung 54 angetrieben sein. Die Räder 59, 59' des Radsatzes 51 sind über eine Radsatzwelle 65 starr miteinander verbunden. Die Lagerung des Radsatzes 51 erfolgt in den Achslagern 55 (siehe Abb. 8), die über eine Primärfederung 56 mit dem Fahrwerksrahmen 50 verbunden sind. Der Fahrwerksrahmen 50 ist über eine Sekundärfederung, die von Luftfedern 57 gebildet wird, mit dem Wagenkasten 60 verbunden. Weiters ist der Fahrwerksrahmen 50 gelenkig mit einer Führungstraverse bzw. einem Joch 58 verbunden. Diese Verbindung wird durch zwei Lenkerpaare 61 und 61' hergestellt, welche um vertikale Achsen rotierbar sind und welche einerseits am Fahrwerksrahmen 50, andererseits am Joch 58 angelenkt sind. Das Joch 58 seinerseits ist über Längslenker 62, 62' gelenkig mit wagenfesten Führungskonsolen 63, 63' verbunden. Wenn die Gelenke der Längslenker 62, 62' dabei von Kugelgelenken gebildet werden, sind Verschiebungen der Führungstraverse 58 gegenüber dem Wagenkasten nicht nur in horizontaler, sondern auch in vertikaler Richtung möglich.
    Aufgrund der gelenkigen Verbindung des Fahrwerksrahmens 50 mit der Führungstraverse 58 und aufgrund der Elastizität der Luftfedern 57 sind Lenkbewegungen des Fahrwerksrahmens 50 um eine vertikale Achse möglich. Die Primärfederung zwischen Radsatz 51 und Fahrwerksrahmen 50 weist hingegen in Längsrichtung eine so harte Federkonstante auf, daß so gut wie keine Lenkbewegungen des Radsatzes 51 gegenüber dem Fahrwerksrahmen 50 möglich sind. Gegen die bei einer Fahrt über einen Gleisbogen aufgrund der Rollradiendifferenz der Räder 59, 59' hervorgerufene Lenkbewegung des Fahrwerksrahmens 50 wirkt die Rückstellkraft des federelastischen Elementes 6, welches einerseits am Fahrwerksrahmen 50 und andererseits am Joch 58 angreift und quer zur Fahrtrichtung angeordnet ist. Zur Aufbringung einer gegen die Rückstellkraft wirkenden Gegenkraft ist ein kraftgeregeltes Stellglied 7 vorgesehen. Mit diesem kann wiederum, wie bereits zuvor anhand der Abb. 3 ausgeführt wurde, eine Kraftvorsteuerung durchgeführt werden, d. h. die Kennlinie des federelastischen Elementes 6 wird bei einer Bogenfahrt verschoben, wodurch ein optimiertes Fahrverhalten des Fahrwerks erreicht wird.
    Beim Beschleunigen und Bremsen werden Längskräfte auf das Fahrwerk ausgeübt, die von den Längslenkern 62, 62' aufgenommen werden können. Weiters ist eine Nickstütze 69 vorgesehen, die eine Verdrehung des Fahrwerksrahmens 50 um eine Querachse verhindert. Auf analoge Weise kann auch eine nicht dargestellte Wankstütze vorgesehen sein, die eine Verdrehung des Fahrwerksrahmens 50 um eine Längsachse verhindert. Querbewegungen des Fahrwerksrahmens 50 werden von an wagenfesten Führungskonsolen 63, 63' angebrachten Queranschlagspuffern 68, 68' begrenzt bzw. abgefedert.
    Das federelastische Element 6 wird günstigerweise von einem, in Abb. 9 dargestellten, Zentrierfederelement gebildet. Dieses weist ein Gehäuse 80 mit gehäusefesten Anschlägen 80a auf, an denen im Ruhezustand Anschlagringe 83 anliegen. Zwischen den Anschlagringen 83 ist eine unter Vorspannung stehende Feder 81 angeordnet. Die durch das Gehäuse 80 tretende Stange 84 weist innerhalb des Gehäuses 80 im Abstand der Anschläge 80a des Gehäuses 80 zwei Flansche 85 auf, zwischen denen die Anschlagringe 83 liegen. Das Verhalten des Zentrierfederelementes im Falle einer auf die Stange 84 ausgeübten Kraft wird durch die in Abb. 10 dargestellte Kennlinie beschrieben. Bei einer Kraft, die unterhalb eines gewissen Schwellenwertes Fs liegt, kommt es zu keiner Verschiebung der Stange 84, da ja die Feder 81 unter einer Vorspannung steht. Erst bei einer Kraft, die oberhalb des Schwellenwertes Fs liegt, kommt es zu einer Verschiebung der Stange 84, wobei nach der Beendigung der Kraftausübung die Stange 84 wiederum in die zentrierte Ausgangslage zurückkehrt. Durch die Verwendung eines solchen Zentrierfederelementes kann eine Zentrierung des Fahrwerksrahmens mit nur einem einzigen Federelement 6 erreicht werden und die in Abb. 10 dargestellte Kennlinie des Zentrierfederelementes führt zu einer Verbesserung der Stabilität des erfindungsgemäßen Laufwerkes bei der Geradeausfahrt.
    Ein Sensor 67 beispielsweise ein induktiver Weggeber, der den ist-Wert des Lenkausschlages erfaßt, könnte zur Erkennung einer Betriebsstörung, beispielsweise im Hydrauliksystem verwendet werden.
    Das in den Abb. 6 - 8 dargestellte Einzelachs-Laufwerk besitzt einen hohen Fahrkomfort, da es die vielfältigen Anforderungen an ein Laufwerk hervorragend erfüllt. Auch bei Ausfall der Hydraulik ist die Sicherheit gewährleistet, aufgrund der Selbstzentrierung des Radsatzes 51 mittels des Federelementes 6. Ein Vorteil gegenüber konventionellen Drehgestellfahrwerken ist die mögliche Einsparung von Achsen, was zu einer Kostenverringerung führt.

    Claims (27)

    1. Einzelachslaufwerk für ein Schienenfahrzeug, bei dem jeder gegenüber dem Schienenfahrzeug drehbar gelagerte Fahrwerksrahmen nur jeweils einen einzelnen Radsatz aufweist, wobei eine federelastische Vorrichtung (6) zur Erzeugung einer Rückstellkraft gegen einen Lenkausschlag des Radsatzes (1, 1', 51) und zusätzlich ein mit dem Radsatz (1, 1', 51) gekoppeltes Stellglied (7), welches von einer Steuer- bzw. Regeleinrichtung (20) angesteuert ist, sowie eine Vorrichtung (10) zur Erfassung des Radius des Gleisbogens vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß als Steuer- bzw. Regeleinrichtung (20) eine am Stellglied (7) eine Kraftgröße als Steuer- bzw. Regelgröße einstellende Steuer- bzw. Regeleinrichtung (20) vorgesehen ist, wobei die am Stellglied (7) gesteuerte bzw. geregelte, gegen die Rückstellkraft der federelastischen Vorrichtung (6) wirkende Kraftgröße vom Radius des Gleisbogens abhängig ist.
    2. Einzelachslaufwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die am Stellglied (7) eingestellte Kraftgröße näherungsweise umgekehrt proportional zum Radius des Gleisbogens eingestellt wird.
    3. Einzelachslaufwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das kraftgeregelte Stellglied (7) mindestens einen Hydraulikzylinder aufweist.
    4. Einzelachslaufwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das kraftgeregelte Stellglied (7) mindestens ein pneumatisch wirkendes Element, beispielsweise einen Pneumatikzylinder oder einen Luftfederbalg, umfaßt.
    5. Einzelachslaufwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das kraftgeregelte Stellglied (7) an den beiden seitlichen Enden des Radsatzes (1,1') seitlich außerhalb der Räder (4), beispielsweise am Achslagergehäuse (3) angreift.
    6. Einzelachslaufwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer- bzw. Regeleinrichtung zur Einstellung der Kraftgröße proportionale Druckregelventile (12,13) aufweist.
    7. Einzelachslaufwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer- bzw. Regeleinrichtung zur Einstellung der Kraftgröße proportionale Druckbegrenzungsventile (112,113) aufweist.
    8. Einzelachslaufwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer- bzw. Regeleinrichtung zur Einstellung der Kraftgröße eine druckgeregelte Pumpe aufweist.
    9. Einzelachslaufwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das kraftgeregelte Stellglied erst oberhalb eines bestimmten Schwellenwertes der erfaßten Krümmung des Gleisbogens von der Steuer- bzw. Regeleinrichtung beaufschlagt wird.
    10. Einzelachslaufwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel, z.B. eine elektronische Schaltung, vorgesehen sind, die die maximale Geschwindigkeit des Kraftanstieges der von der Steuer- bzw. Regeleinrichtung eingestellten Kraftgröße nach oben hin begrenzen.
    11. Einzelachslaufwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die federelastische Vorrichtung (6) wie an sich bekannt eine Feder ist, welche vorzugsweise am Achslager angreift.
    12. Einzelachslaufwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die federelastische Vorrichtung (6) zur Erzeugung der Rückstellkraft und das kraftgeregelte Stellglied (7) zu einer baulichen Einheit zusammengefaßt sind.
    13. Einzelachslaufwerk nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die bauliche Einheit einen Zylinder (71) umfaßt, in dem ein verschiebbarer Kolben (70) einerseits von mindestens einer Feder (72), andererseits - vorzugsweise von beiden Seiten - mittels eines Druckmediums beaufschlagbar ist.
    14. Einzelachslaufwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung der Rückstellkraft ein selbstzentrierendes Federelement, welches eine unter einer Vorspannung stehende Feder enthält, aufweist.
    15. Einzelachslaufwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sensor (67) zur Erfassung des Ist-Wertes des Lenkausschlages des Radsatzes (1,1',51) vorgesehen ist.
    16. Einzelachslaufwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils ein einzelner Radsatz (51) in einem lenkbaren Fahrwerksrahmen (50) gelagert ist, wobei die Einrichtung (6) zur Erzeugung der vom Lenkausschlag abhängigen Rückstellkraft und das kraftgeregelte Stellglied (7) zur Erzeugung der gegen die Rückstellkraft wirkenden Gegenkraft am Fahrwerksrahmen angreifen.
    17. Einzelachslaufwerk nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (6) zur Erzeugung der Rückstellkraft und/oder das kraftgeregelte Stellglied (7) zur Erzeugung der Gegenkraft quer zur Fahrtrichtung angeordnet sind.
    18. Einzelachsfahrwerk nach einem der Ansprüche 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß ein in vertikaler Richtung und in Querrichtung verschiebbares mit dem Wagenkasten gelenkig verbundenes Joch (58) vorgesehen ist, wobei der Fahrwerksrahmen (50) um eine vertikale Achse lenkbar mit dem Joch (58) verbunden ist.
    19. Einzelachsfahrwerk nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Joch (58) über Längslenker (62, 62') zur Aufnahme der auftretenden Längskräfte gelenkig mit dem Wagenkasten (60) verbunden ist.
    20. Einzelachsfahrwerk nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Längslenker (62, 62') mittels Kugelgelenken im Joch (58) und im Wagenkasten (60) gelagert sind.
    21. Einzelachsfahrwerk nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegung des Fahrwerksrahmens (50) in Querrichtung durch Queranschlagspuffer (68, 68'), die an wagenfesten Führungskonsolen (63, 63') angeordnet sind, begrenzt wird.
    22. Einzelachsfahrwerk nach einem der Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (6) zur Erzeugung der Rückstellkraft und das kraftgeregelte Stellglied (7) zur Erzeugung der Gegenkraft einerseits am Fahrwerksrahmen (50) andererseits am Joch (58) angreifen.
    23. Einzelachsfahrwerk nach einem der Ansprüche 18 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung zwischen Fahrwerksrahmen (50) und Joch (58) durch einerseits am Fahrwerksrahmen (50), andererseits am Joch (58) angelenkte Lenker (61, 61') gebildet wird, wobei die Lenker (61, 61') um vertikale Achsen drehbar gelagert sind.
    24. Einzelachsfahrwerk nach einem der Ansprüche 18 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Radsatz (51) von einem, vorzugsweise am Fahrwerksrahmen (50) angeordneten, Motor (52) angetrieben ist.
    25. Verfahren zur Steuerung eines Radsatzes (1, 1', 51) eines Einzelachslaufwerks eines Schienenfahrzeugs, bei dem jeder gegenüber dem Schienenfahrzeug drehbar gelagerte Fahrwerksrahmen nur jeweils einen einzelnen Radsatz aufweist, wobei eine federelastische Vorrichtung (6) zur Erzeugung einer Rückstellkraft gegen einen Lenkausschlag des Radsatzes (1, 1', 51) und zusätzlich ein mit dem Radsatz (1, 1', 51) gekoppeltes Stellglied (7), welches von einer Steuer- bzw. Regeleinrichtung (20) angesteuert ist, sowie eine Vorrichtung zur Erfassung des Radius des Gleisbogens vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer- bzw. Regeleinrichtung (20) am Stellglied (7) eine Kraftgröße als Steuer- bzw. Regelgröße einstellt, welche gegen die Rückstellkraft der federelastischen Vorrichtung (6) wirkt und vom Radius des Gleisbogens abhängig ist.
    26. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftgröße derart in Abhängigkeit vom Radius des Gleisbogens gesteuert bzw. geregelt wird, daß die Überlagerung der Rückstellkraft (Fx) der federelastischen Vorrichtung (6) und der am Stellglied (7) gesteuerten bzw. geregelten Kraftgröße zu einer resultierenden Kraft (Fx') führt, welche etwa bei der idealen Achslagerverschiebung (si), bei der der Lenkausschlag des Radsatzes optimal an den Radius des Gleisbogens angepaßt ist, verschwindet.
    27. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Achslagerverschiebung (s), bei der die resultierende Kraft (Fx') verschwindet, im freien Einstellbereich (FE) um die ideale Achslagerverschiebung (si) liegt.
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