Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Querzentrierung und Schwingungsdämpfung bei Schienenfahrzeugen gemäss dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Aus der Druckschrift EP 0 936 124 A2 ist eine Vorrichtung zur aktiven Querzentrierung und Schwingungsdämpfung bei Schienenfahrzeugen bekannt. Diese Vorrichtung ist zwischen dem Fahrgestell und dem Fahrzeugaufbau des Schienenfahrzeuges angeordnet und dient dazu die quer zur Fahrtrichtung wirkenden, fahrtbedingten Querbewegungen zumindest teilweise zu kompensieren. Diese Vorrichtung besteht aus einer doppelseitig beaufschlagbaren Kolben-Zylinder-Einheit, wobei der jeweils in den beiden Zylinderräumen anliegende Druck in Abhängigkeit von Fahrzuständen über Ventile regelbar ist. Die derart ausgebildete, aktive, pneumatische Vorrichtung weist die Nachteile auf, dass während einem längerfristigen Betrieb ein Verschleiss auftritt, und dass zum Betrieb der Vorrichtung eine Druckluftquelle erforderlich ist. Zudem sind die maximal erzeugbaren Querkräfte begrenzt.
Kompositionen von Schienenfahrzeugen wie Pendelzüge werden zunehmend derart im Pendelbetrieb eingesetzt, dass die Komposition in der einen Richtung gezogen, in der anderen Richtung gestossen wird. Wird eine derartige Komposition während dem Stossen beim Befahren einer Weiche abgelenkt, so bewirkt dies ein ungleichmässiges seitliches Ausscheren der Wagenkasten, was auch als ein seitlicher Versatz bezeichnet wird. Dieser seitliche Versatz ist insbesondere an der übergangsstelle zweier Wagenkasten ausserordentlich störend. Nachteilig an der bekannten Vorrichtung zur aktiven Querzentrierung ist die Tatsache, dass diese Vorrichtung nicht geeignet ist, den beim Stossen eines Pendelzuges auftretenden seitlichen Versatz genügend zu reduzieren, da die maximal erzeugbaren Kräfte zu gering sind.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur aktiven Querzentrierung und Schwingungsdämpfung bei Schienenfahrzeugen zu bilden, welche wirtschaftlich vorteilhafter ist, und welche insbesondere grössere Kräfte zu erzeugen erlaubt.
Diese Aufgabe wird gelöst mit einer Vorrichtung, aufweisend die Merkmale von Anspruch 1. Die abhängigen Ansprüche 2 bis 11 betreffen weitere, vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemässen Vorrichtung.
Die Aufgabe wird insbesondere gelöst mit einer Vorrichtung zur aktiven Querzentrierung und Schwingungsdämpfung bei Schienenfahrzeugen, umfassend eine doppelseitig beaufschlagbare Kolben-Zylinder-Einheit mit einem Zylinder, einem Kolben mit Kolbenstangen, sowie zwei durch den Kolben getrennte Zylinderräume, welche über ein ansteuerbares Ventil fluidleitend verbindbar sind, wobei die Kolbenstangen beiderseits aus dem Zylindergehäuse ragen).
Die erfindungsgemässe Vorrichtung, welche insbesondere geeignet ist, den seitlichen Versatz von Wagenkästen zu reduzieren, wird im Weiteren auch als "Cursator" bezeichnet.
Die im Zylindergehäuse durchgehenden und beidseitig im Zylindergehäuse gelagerten Kolbenstangen weisen den Vorteil auf, dass an den Lagerstellen ein geringerer Verschleiss auftritt, dass die Anordnung auch für grössere Querkräfte geeignet ist, dass mit dieser Anordnung grössere Hubkräfte erzeugbar sind, dass kein Verkanten der Kolbenstangen auftritt, und dass, falls erforderlich, auch breitflächige Lagerstellen möglich sind.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind an beiden Endabschnitten der Kolbenstange ein Lager angeordnet, welche vorzugsweise mit dem Fahrzeugaufbau verbindbar sind. Zudem ist am Zylinder ein Lager angeordnet, welches vorzugsweise mit dem Fahrgestell verbindbar ist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die beiden Zylinderräume über eine Druckleitung mit zwischengeschaltetem, ansteuerbarem Ventil fluidleitend verbunden. Bei geöffnetem Ventil findet zwischen den beiden Zylinderräumen ein Fluidaustausch statt, was auch als ein Dämpfungsbetrieb des Cursators bezeichnet wird, da in diesem Betriebszustand die Bewegungsgeschwindigkeit des Kolbens im Zylinder gedämpft wird. Bei geschlossenem Ventil wird der Fluidaustausch unterbrochen, sodass die Kolben-Zylinder-Einheit ein sehr steifes Verhalten aufweist, was auch als ein Querfederbetrieb des Cursators bezeichnet wird.
Damit der Cursator im Querfederbetrieb das Verhalten einer steifen Feder aufweist, das heisst eine Kraftänderung in Funktion des Weges bzw. der Auslenkung aufweist, sind in einer bevorzugten Ausgestaltung beide Zylinderräume fluidleitend mit einem Hydraulikspeicher sowie mit einem Ausgleichsbehälter verbunden, was dem Kolben eine Längsbewegung ermöglicht, falls entsprechende Kräfte auftreten. Ein derart ausgestalteter Cursator weist den Vorteil auf, dass zu dessen Betrieb keine externe Druckluft- bzw. Energieversorgung erforderlich ist. In einer vorteilhaften Ausgestaltung genügen einzig die elektrischen Signale zum Betätigen der ansteuerbaren Ventile, um den Cursator in den Dämpfungsbetrieb oder Querfederbetrieb zu schalten. Dies ermöglicht eine kostengünstige Ansteuerung des Cursators. Zudem ist ein Schienenfahrzeug kostengünstig mit einem Cursator nachrüstbar.
Bei extern zugeführter Druckluft besteht das Problem, dass diese üblicherweise auch Schmutzpartikel aufweist. Da die erfindungsgemässe Vorrichtung keine externe Druckluftversorgung erfordert, ist ein verschmutzungsfreier, langfristiger und störungsfreier Betrieb gewährleistet.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die erfindungsgemässe Vorrichtung eine selbsttätige Zentrierung auf. Hierzu sind in einer bevorzugten Ausgestaltung im Zylinder Ringkanäle und im Kolben entsprechend angepasst angeordnete Kanäle derart zusammenwirkend ausgestaltet, dass während dem Querfederbetrieb des Cursators nur die vom Zentrum wegführende Auslenkung unter Federwirkung behindert wird, wogegen eine Bewegung zum Zentrum hin nicht derart behindert wird, sodass sich der Kolben, auf Grund der auftretenden Querbewegungen, selbsttätig zentriert. Diese Anordnung weist den Vorteil auf, dass eine selbsttätige Zentrierung ohne externe Energieversorgung möglich ist. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist zudem kein Sensor zum Bestimmen der Lage des Kolbens bezüglich dem Zylinder erforderlich.
In einer weiteren, vorteilhaften Ausgestaltung ist die Lagerung der Kolbenstangen im Zylinder derart ausgestaltet, dass das Lager und die Dichtung in Verlaufsrichtung der Kolbenstangen derart beabstandet angeordnet sind, dass der gelagerte Abschnitt der Kolbenstangen nicht mit der Dichtung in Berührung kommt. Dies gewährleistet eine langfristig zuverlässige Dichtung und somit einen langfristig wartungsfreien Betrieb.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Cursator als eine einzige Einheit, beziehungsweise als sogenannter Monoblock ausgestaltet, in welcher alle erforderlichen Elemente, insbesondere auch ein Hydraulikspeicher, integriert sind.
Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Fahrgestells mit Fahrzeugaufbau eines Schienenfahrzeuges und dazwischen angeordneter Kolben-Zylinder-Einheit; Fig. 2 einen Längsschnitt durch die Kolben-Zylinder-Einheit in Neutralstellung bzw.
Mittellage sowie im Dämpfungsbetrieb; Fig. 3 einen Längsschnitt durch die Kolben-Zylinder-Einheit in ausgelenkter Stellung sowie im Querfederbetrieb; Fig. 4a Kraft-Weg-Kennlinie des Cursators im Dämpfungsbetrieb; Fig. 4b, 4c Kraft-Weg-Kennlinie des Cursators im exzentrischen Querfederbetrieb; Fig. 4d Kraft-Weg-Kennlinie des Cursators im zentrischen Querfederbetrieb; Fig. 5 einen Längsschnitt durch eine weitere Kolben-Zylinder-Einheit mit im Detail dargestelltem Lager mit Dichtung; Fig. 6 ein Ausführungsbeispiel eines Kolbens mit Kolbenstange; Fig. 7 einen Längsschnitt durch einen Ausgleichsbehälter; Fig. 8a eine Seitenansicht eines Cursators; Fig. 8b eine Aufsicht eines Cursators; Fig. 9 einen Längsschnitt durch die Kolben-Zylinder-Einheit mit ansteuerbaren Ventilen.
Fig. 1 zeigt schematisch ein Schienenfahrzeug 1 mit einem Fahrgestell 2 sowie einem mithilfe von Schraubenfedern 4a, 4b gelagerten Fahrzeugaufbau 3. Der Fahrzeugaufbau 3 ist bezüglich dem Fahrgestell 2 in Bewegungsrichtung Y verschiebbar gelagert, wobei mit "0" die Neutralstellung bzw. Mittellage markiert ist. Die am Fahrzeugaufbau 3 angreifenden Querkräfte Fq werden teilweise über die Schraubenfedem 4a, 4b und weitere Elemente übertragen, im Wesentlichen jedoch von der erfindungsgemässen Vorrichtung 25 zur schaltbaren, aktiven Querzentrierung und Schwingungsdämpfung bei Schienenfahrzeugen, im Weiteren auch als Cursator 25 bezeichnet, übertragen. Der Cursator 25 umfasst eine doppelseitig beaufschlagbare Kolben-Zylinder-Einheit 5 mit einem Zylinder 7, in welchem die Kolbenstangen 6a mit einem Kolben 6b gelagert sind.
Die Kolbenstangen 6a weisen an beiden äusseren Enden je ein Lager 6c, 6d auf, welche gelenkig mit Befestigungsteilen 3a, 3b des Fahrzeugaufbaus 3 verbunden sind. Zudem ist am Zylinder 7 ein Lager 7k angeordnet, welches über eine Verbindungsstange 8 und ein Lager 2a gelenkig mit dem Fahrgestell 2 verbunden ist.
In Fig. 2 ist ein selbstzentrierender Cursator 25 dargestellt. Aus dem Längsschnitt der Kolben-Zylinder-Einheit 5 sind die in Lagerstellen 7d, 7e beidseitig gelagerten Kolbenstangen 6a mit Kolben 6b sowie der Zylinder 7 ersichtlich. Der Kolben 6b unterteilt den Innenraum des Zylinders 7 in einen ersten Zylinderraum 7f und einen zweiten Zylinderraum 7g. Diese beiden Zylinderräume 7f, 7g sind über Druckleitungen 10a, 10b und die beiden parallel geschalteten, elektrischen Zweiwegventile 11a, 11b fluidleitend miteinander verbunden. Fig. 2 zeigt somit den Cursator 25 im Dämpfungsbetrieb. Der Kolben 6b ist dadurch bei einer angreifenden Querkraft Fq in Bewegungsrichtung y frei beweglich, und dessen Reaktionskräfte durch die Wirkung des Fluides, vorzugweise eine Flüssigkeit wie öl, bestimmt.
Der Cursator 25 weist weitere, für den Querfederbetrieb und die automatische Zentrierung erforderlichen Elemente auf, welche nachfolgend im Detail beschrieben werden. Die Zylinderinnenwand weist in axialer Richtung des Zylinders 7, etwa im Zentrum angeordnet, einen ersten Ringkanal 7a, und in axialer Richtung beidseitig beabstandet einen zweiten bzw. einen dritten Ringkanal 7b, 7c auf. Der erste Ringkanal 7a ist über eine Druckleitung 12a fluidleitend mit einem Hydraulikspeicher 13 sowie einem Ausgleichsbehälter 16 verbunden. Der zweite Ringkanal 7b ist über die Druckleitung 12b und der dritte Ringkanal 7c über die Druckleitung 12c mit dem Ausgleichsbehälter 16 verbunden, wobei die Druckleitung 12b in die Druckleitung 12c mündet. Zudem ist ein Druckbegrenzungsventil 14 sowie ein Rückschlagventil 15 zwischen der Druckleitung 12a und der Druckleitung 12b bzw. 12c angeordnet.
Der Ausgleichsbehälter 16 umfasst einen Zylinder 16a, einen darin verschiebbar gelagerten Kolben 16b sowie einen Luftfilter 16c. Der Innenraum des Kolbens 16b ist fluidleitend mit der Druckleitung 12a verbunden. Bei entsprechendem Druck in der Druckleitung 12a wird der Kolben 16b auf Grund seiner kleineren Fläche, wie in Fig. 7 im Detail beschrieben, nach links verschoben und drückt ein Teil des sich im Innenraum des Zylinders 16a befindlichen Fluides in die Druckleitung 12c. Der sich rechts vom Kolben 16b bildende Innenraum wird dabei über den Luftfilter 16c mit Luft gefüllt. Im Kolben 6b sind Kanäle 6f, 6g angeordnet, wobei der eine Kanal 6f den ersten Zylinderraum 7f, abhängig von der Stellung des Kolbens 6b, fluidleitend mit dem ersten Ringkanal 7a verbindet, und der andere Kanal 6g den zweiten Zylinderraum 7g mit dem ersten Ringkanal 7a verbindet.
Im dargestellten Dämpfungsbetrieb sind die Ventile 11a, 11b geöffnet, und das Fluid hat im ersten und zweiten Zylinderraum 7f, 7g sowie auch in den damit fluidleitend verbundenen Druckleitungen 12a, 12b, 12c etwa denselben Druck.
Fig. 4a zeigt mit der Geraden 19 den Verlauf des Kraft-Weg-Diagramms des Cursators 25 im Dämpfungsbetrieb.
Fig. 3 zeigt den Cursator 25 im Querfederbetrieb. Der Zylinder 6b befand sich während dem Dämpfungsbetrieb in dem in Fig. 4a mit 19a dargestellten Bereich. Daraufhin wurden die Ventile 11a, 11b geschlossen, wodurch der Cursator 25 in den Querfederbetrieb geschaltet wird, was den in Fig. 4b dargestellten Knick zwischen den Kurvenabschnitten 20b und 20c zur Folge hat. Fig. 3 zeigt den leicht nach links verschobenen Kolben 6b sowie die geschlossenen Ventile 11a, 11b. Die Ringkanäle 7a, 7b, 7c bilden zusammen mit dem Kolben 6b einen Kolbenschieber bzw. eine Steuerkante 9a, 9b, sodass in der dargestellten Anordnung keine fluidleitende Verbindung mehr zwischen dem ersten Zylinderraum 7f und der Druckleitung 12b besteht. Zudem besteht keine fluidleitende Verbindung durch den Kanal 6g.
Eine am Zylinder 7 nach rechts wirkende Querkraft Fq bewirkt, dass sich der Kolben 6b, wie in Fig. 4b dargestellt, entlang der Kurve 20c nach links verschiebt. Dabei wird Fluid aus dem ersten Zylinderraum 7f durch den Kanal 6f in den ersten Ringkanal 7a gefördert und über die Druckleitung 12a dem Hydraulikspeicher 13 zugeführt, wobei der Kolben 16b zugleich nach links verschoben wird, und Fluid aus dem linken Innenraum 16d über die Druckleitung 12c und den Ringkanal 7c in den zweiten Zylinderraum 7g gelangt.
Die Ventile 11a, 11b umfassen je einen Elektromagneten 11c sowie einen Stellungssensor 11d, welche je über eine elektrische Leitung 18a, 18b, 18c, 18d mit einer Ansteuervorrichtung 17 verbunden sind. Der Sensor 11d dient zur überwachung, ob das Ventil 11a, 11 b geschaltet hat. Die Ventile 11a, 11b sind aus Sicherheitsgründen parallel geschaltet und doppelt vorgesehen.
Der in Fig. 3 dargestellte Cursator 25 weist im Querfederbetrieb den in Fig. 4b dargestellten Kurvenverlauf auf. Während die weitere Bewegung des Kolbens 6b nach links der Kurve 20c folgt, weist eine Bewegung des Kolbens 6b nach rechts bis in die zentrierte Lage den Verlauf der Kurve 20b auf, deren Kraft-Weg-Charakteristik etwa derjenigen des Dämpfungsbetriebs entspricht. Eine weitere Bewegung nach rechts folgt dem Verlauf der Kurve 20a. Fig. 4c zeigt die selbstzentrierenden Eigenschaften des erfindungsgemässen Cursators 25. Ausgehend vom Verlauf gemäss Fig. 4b weist der Kolben 6b bei einer Bewegung nach links einen Verlauf entsprechend der Kurve 20c auf. Bei einer Bewegung nach rechts erfolgt die Bewegung entsprechend der Kurve 20b.
Tritt daraufhin wiederum eine Bewegung nach links auf, so erfolgt ein Querfederbetrieb entlang einer zur Kurve 20c parallel verlaufenden Kurve 20d. Dies hat einen selbstzentrierenden Effekt zur Folge, indem jeweils eine Bewegung nach links weitgehend behindert wird, wogegen eine Bewegung nach rechts möglich ist.
Sobald der Kolben 6b etwa in der Mittellage bzw. in axialer Richtung bezüglich dem Zylinder 7 etwa mittig zu liegen kommt, findet zwischen dem ersten und zweiten Zylinderraum 7f, 7g ein Druckausgleich statt, ohne dass die Ventile 11a, 11b geöffnet werden. Zudem wird der Kolben 16b nach rechts bis zum Anschlag bewegt. Dieser Effekt wird, wie aus Fig. 2 ersichtlich, dadurch erzielt, dass im Bereich der Mittellage durch eine entsprechende Anordnung alle drei Ringräume 7a, 7b, 7c fluidleitend mit dem entsprechenden ersten und/oder zweiten Zylinderraum 7f, 7g verbunden sind. Dies hat zur Folge, dass ein Druckausgleich zwischen den Zylinderräumen 7f, 7g stattfindet, sodass der Cursator die Federcharakteristik gemäss der Kurve 4d aufweist.
In Fig. 3 weist der Cursator 25 mechanische Mittel wie die Kanäle 6f, 6g sowie die Ringräume 7a, 7b, 7c auf, welche zusammen mit dem Kolben 6b Steuerkanten 9a, 9b ausbilden, um eine automatische Querzentrierung zu erreichen. An Stelle dieser Mittel könnten jedoch auch, wie in Fig. 9 dargestellt, ansteuerbare Ventile 26a, 26b, 26c, 26d vorgesehen sein, welche entsprechend mit den Druckleitungen 12a, 12c verbunden sind, um eine automatische Querzentrierung durch entsprechendes Schalten der Ventile 26a, 26b, 26c, 26d zu bewirken. Dazu wäre zusätzlich noch ein Wegsensor zum Messen der Auslenkung des Kolbens 6b, eine Regelvorrichtung sowie vorzugsweise ein Drucksensor zum Messen des Fluiddruckes erforderlich. Die elektronische Ansteuerung der Ventile 26a, 26b, 26c, 26d ist in Fig. 9 nicht dargestellt.
Durch ein entsprechendes Schalten der Ventile 11a, 11b kann der Cursator 25 jederzeit zwischen dem Dämpfungsbetrieb und dem Querfederbetrieb umgeschaltet werden.
Fig. 5 zeigt eine Detailansicht der Lagerung der einen Kolbenstange 6a im Zylinder 7. Das Lager 7i und die Dichtung 7h sind in Verlaufsrichtung der Kolbenstange 6a um eine Länge L beabstandet angeordnet. Die Länge L ist vorzugsweise derart gewählt, dass der maximale Bewegungsweg der Kolbenstange 6a geringer ist als die Länge L, was zur Folge hat, dass der auf dem Lager 7i aufliegende Kolbenstangenabschnitt nie in den Bereich der Dichtung 7h zu liegen kommt. Im Bereich des Lager 7i weist der Kolbenstangenabschnitt immer Verschleisserscheinungen auf. Diese kommen somit nie in den Bereich der Dichtung 7h zu liegen. Dadurch wird der Leckageverlust an der Dichtung 7h sehr gering gehalten.
Eine geringe Leckage ist für den langfristigen Betrieb des erfindungsgemässen Cursators 25 von zentraler Bedeutung, da dieser als geschlossenes System konzipiert ist, und der Leckageverlust durch sich im Hydraulikspeicher 13 befindliches Fluid gedeckt werden muss.
Fig. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Kolbenstange 6a mit Kolben 6b im Detail. An der Oberfläche des Kolbens 6b ist oben und unten je eine Längsnut 6h angeordnet, welche fluidleitend über den Kanal 6g mit dem zweiten Zylinderraum 7g verbunden sind. Als Aufsicht ist die Längsnut 6i dargestellt, welche über den Kanal 6f fluidleitend mit dem ersten Zylinderraum 7f verbunden ist.
Im Gegensatz zu der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform ist im Beispiel gemäss Fig. 6 der erste Ringkanal 7a in axialer Richtung kurz ausgestaltet, wogegen die Länge der Längsnut 6h entsprechend angepasst gewählt ist, um eine fluidleitende Verbindung zwischen dem ersten Zylinderraum 7f bzw. dem zweiten Zylinderraum 7g und dem ersten Ringkanal 7a während einer gewissen Bewegung des Kolbens 6b aufrecht zu erhalten. über den Bund 6k und den Innenring 61 ist die Kolbenstange 6a fest mit dem Kolben 6b verbunden.
Fig. 7 zeigt einen Längsschnitt durch den Ausgleichsbehälter 16, auch als Differenzialausgleichszylinder bezeichnet. Dieser umfasst einen Zylinder 16a sowie einen längsverschiebbar gelagerten Kolben 16b, welcher über eine Zuleitung 16f fluidleitend mit der Druckleitung 12a verbunden ist. Der Kolbeninnenraum bzw. zweite Zylinderraum 16e ist über Dichtungen 16h gegenüber dem luftseitigen Zylinderraum 16i abgedichtet. Der erste Zylinderraum 16d ist über Dichtungen 16g abgedichtet. Der erste Zylinderraum 16d ist mit der Druckleitung 12c fluidleitend verbunden. Bei einer Bewegung des Kolbens 16b nach links wird der rechts davon entstehende Innenraum 16i über den Luftfilter 16c mit Luft gefüllt.
Die Seitenansicht gemäss Fig. 8a zeigt einen sehr kompakt als Monoblock ausgestalteten Cursator 25 mit Kolben-Zylinder-Einheit 5, Kolbenstange 6a, Lager 6c, 6d, 6e, dem Hydraulikspeicher 13 sowie einem Gehäuse 22, in welchem die Ventile 11a, 11b sowie die entsprechenden Druckleitungen 10a, 10b angeordnet sind. Zwischen dem Zylinder 7 und dem Ende der Kolbenstangen 6a ist zu deren Schutz beidseitig ein Faltenbalg 23 angeordnet.
Fig. 8b zeigt den Cursator 25 gemäss Fig. 8a in einer Aufsicht. Im Gehäuse 21 sind der Ausgleichsbehälter 16 sowie die Druckleitungen 12a, 12b, 12c, und das Druckbegrenzungsventil 14 sowie das Rückschlagventil 15 angeordnet. Der Hydraulikspeicher 13 mit Einfüllöffnung 13a ist seitlich am Gehäuse 21 angeordnet und fest mit diesem verbunden. Am Gehäuse 22 ist der Stecker 22a erkennbar, welcher als Anschluss für das Steuersignal dient.
Die Lager 6c, 6d können direkt an entsprechenden Befestigungsteilen 3a, 3b eines Fahrzeugaufbaus befestigt werden. Da der Abstand der Befestigungsteile 3a, 3b üblicherweise fest vorgegeben ist, kann es sich als vorteilhaft erweisen, einen Adapter 24 vorzusehen. Diese Adapter 24 sind an den Lagern 6c, 6d befestigbar und weisen beispielsweise Bohrungen 24a für Schrauben auf, um den Adapter 24 am Fahrzeugaufbau zu befestigen. Der Adapter erlaubt Unterschiede zwischen Befestigungsteilen 3a, 3b und Lagern 6c, 6d zu kompensieren. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Lager 6c, 6d weiter beabstandet als die mit 24a angedeutete Befestigungsstelle am Fahrzeugaufbau. Dieser Adapter weist somit den Vorteil auf, dass der Cursator 25 länger ausgestaltet werden kann als dies durch die Anordnung der Befestigungsteile 3a, 3b definiert ist.
Dies ermöglicht einen kompakten Cursator 25 zu bauen, in welchem alle erforderlichen Teile untergebracht sind. Insbesondere kann auch der Druckspeicher direkt auf dem Cursator 25 untergebracht werden.
Als hydraulische Flüssigkeit wird beim Cursator 25 vorzugsweise öl verwendet. Der Hydraulikspeicher 13 speichert einerseits die Flüssigkeit und ist andererseits mit Stickstoff von beispielsweise 60 Bar Druck gefüllt. Je nach Druck weist die Kennlinie gemäss Fig. 4d eine andere Steigung auf, sodass die Federcharakteristik über den wählbaren Druck des Stickstoffs voreinstellbar ist.
Der erfindungsgemässe Cursator 25 weist den Vorteil auf, dass dieser sehr kompakt ausgestaltet ist, und dass keine Fremdversorgung mit Luft oder öl erforderlich ist. Der Hydraulikspeicher 13 ist direkt am Cursator 25 angeordnet, sodass kein zusätzlicher Schlauch erforderlich ist. Dies führt zu einer erhöhten Betriebssicherheit. Zudem muss bei der Inbetriebsetzung kein Schlauch am Cursator 25 angeschlossen werden. Würde ein derartiger Schlauch verwendet, so besteht beim Zusammenbau und der Inbetriebsetzung immer die Gefahr, dass eine Verschmutzung auftritt, oder dass ein ungeeignetes öl eingefüllt wird. Der erfindungsgemässe Cursator 25 ermöglicht somit ein einfaches und zuverlässiges Einbauen und Inbetriebsetzen.
Der erfindungsgemässe Cursator besteht aus relativ wenigen Einzelteilen.
Der erfindungsgemässe Cursator erlaubt die Seitenbewegungen der Fahrzeugaufbauten von Schienenfahrzeugen zu begrenzen. Der Cursator wird üblicherweise vor dem überfahren von Weichen auf den Querfederbetrieb umgeschaltet und danach wieder in den Dämpfungsbetrieb umgeschaltet. Der Cursator weist den Vorteil auf, dass ein Fahrgast bei einem mit Cursatoren ausgerüsteten Eisenbahnzug bezüglich Fahrkomfort keinen Unterschied zwischen einem Zug- und einem Stossbetrieb feststellt.
Das Rückschlagventil 15 öffnet sich, wenn der Druck in der Druckleitung 12c wesentlich höher ist als in der Druckleitung 12a. Dies tritt beispielsweise dann auf, wenn der Kolben 16b des Ausgleichsbehälters 16 am rechten Anschlag ist, und der Kolben 6b des Cursators 25 entlang der in Fig. 4c dargestellten Kurve 20c nach rechts bewegt wird. Dabei steigt der Druck im zweiten Zylinderraum 7g an, sodass sich das Rückschlagventil 15 öffnet, und über die Druckleitung 12a, den ersten Ringkanal 7a und den Kanal 6f ein Teil des sich im zweiten Zylinderraum 7g befindlichen Fluides in den ersten Zylinderraum 7f fliesst.
The invention relates to a device for Querzentrierung and vibration damping in rail vehicles according to the preamble of claim 1.
The document EP 0 936 124 A2 discloses a device for active transverse centering and vibration damping in rail vehicles. This device is arranged between the chassis and the vehicle body of the rail vehicle and serves to at least partially compensate for the transversely to the direction of travel, driving-related transverse movements. This device consists of a double-sided acted upon piston-cylinder unit, wherein the voltage applied in each case in the two cylinder chambers pressure in response to driving conditions via valves can be regulated. The thus formed, active, pneumatic device has the disadvantages that wear occurs during a long-term operation, and that a compressed air source is required to operate the device. In addition, the maximum transverse forces that can be generated are limited.
Compositions of rail vehicles such as commuter trains are increasingly being used in pendulum mode so that the composition is pulled in one direction, pushed in the other direction. If such a composition is deflected while driving when driving on a switch, this causes an uneven lateral shearing of the car body, which is also referred to as a lateral offset. This lateral offset is particularly disturbing especially at the transition point of two car body. A disadvantage of the known device for active Querzentrierung is the fact that this device is not suitable to reduce the occurring during the collision of a pendulum train lateral misalignment enough, since the maximum generative forces are too low.
It is an object of the present invention to provide a device for active Querzentrierung and vibration damping in rail vehicles, which is economically advantageous, and which in particular allows to generate larger forces.
This object is achieved with a device having the features of claim 1. The dependent claims 2 to 11 relate to further advantageous embodiments of the inventive device.
The object is achieved in particular with a device for active transverse centering and vibration damping in rail vehicles, comprising a double-acting piston-cylinder unit with a cylinder, a piston with piston rods, and two cylinder chambers separated by the piston, which are fluid-conductively connected via a controllable valve , wherein the piston rods protrude on both sides of the cylinder housing).
The device according to the invention, which is particularly suitable for reducing the lateral offset of car bodies, is also referred to below as "cursors".
The piston rods which are continuous in the cylinder housing and mounted on both sides in the cylinder housing have the advantage that a lower wear occurs at the bearing points, that the arrangement is also suitable for larger transverse forces, that larger lifting forces can be generated with this arrangement, that no tilting of the piston rods occurs. and that, if necessary, also wide-area bearings are possible.
In an advantageous embodiment, a bearing are arranged at both end portions of the piston rod, which are preferably connectable to the vehicle body. In addition, a bearing is arranged on the cylinder, which is preferably connectable to the chassis.
In an advantageous embodiment, the two cylinder chambers are fluid-conductively connected via a pressure line with interposed, controllable valve. When the valve is open, a fluid exchange takes place between the two cylinder chambers, which is also referred to as a damping operation of the cursor, since in this operating state the speed of movement of the piston in the cylinder is damped. When the valve is closed, the fluid exchange is interrupted, so that the piston-cylinder unit has a very stiff behavior, which is also referred to as a transverse spring operation of the cursor.
So that the cursors in transverse spring operation has the behavior of a stiff spring, that is a force change in function of the path or the deflection, in a preferred embodiment, both cylinder chambers fluidly connected to a hydraulic accumulator and with a surge tank, which allows the piston longitudinal movement, if appropriate forces occur. Such a configured curser has the advantage that no external compressed air or energy supply is required for its operation. In an advantageous embodiment, only the electrical signals to actuate the controllable valves are sufficient to switch the curser into the damping mode or transverse spring mode. This allows a cost-effective control of the cursors. In addition, a rail vehicle can be inexpensively retrofitted with a cursor.
With externally supplied compressed air there is the problem that it usually also has dirt particles. Since the inventive device requires no external compressed air supply, a pollution-free, long-term and trouble-free operation is guaranteed.
In a further advantageous embodiment, the device according to the invention has an automatic centering. For this purpose, in a preferred embodiment in the cylinder ring channels and correspondingly arranged in the piston arranged channels arranged cooperatively such that during the transverse spring operation of the curser only the deflection away from the center deflection is hindered under spring action, whereas a movement towards the center is not hindered so that the piston, due to the occurring transverse movements, automatically centered. This arrangement has the advantage that an automatic centering without external power supply is possible. In a preferred embodiment, moreover, no sensor for determining the position of the piston relative to the cylinder is required.
In a further advantageous embodiment, the bearing of the piston rods in the cylinder is designed such that the bearing and the seal are arranged in the extending direction of the piston rods so spaced that the mounted portion of the piston rods does not come into contact with the seal. This ensures a long-term reliable seal and thus a long-term maintenance-free operation.
In an advantageous embodiment, the curser is designed as a single unit, or as a so-called monoblock, in which all required elements, in particular a hydraulic accumulator, are integrated.
The invention will be described below with reference to exemplary embodiments. Figure 1 is a schematic representation of a chassis with vehicle body of a rail vehicle and disposed therebetween piston-cylinder unit. 2 is a longitudinal section through the piston-cylinder unit in neutral position or
Middle position as well as in dampening mode; 3 shows a longitudinal section through the piston-cylinder unit in the deflected position and in transverse spring operation. Fig. 4a force-displacement curve of the cursor in the damping mode; 4b, 4c force-displacement curve of the cursor in the eccentric transverse spring operation; Fig. 4d force-displacement curve of the cursor in centric transverse spring operation; 5 shows a longitudinal section through a further piston-cylinder unit with illustrated in detail bearing with seal. 6 shows an embodiment of a piston with piston rod. 7 shows a longitudinal section through a surge tank. Fig. 8a is a side view of a cursor; Fig. 8b is a plan view of a cursor; 9 shows a longitudinal section through the piston-cylinder unit with controllable valves.
1 shows a schematic representation of a rail vehicle 1 with a chassis 2 and a vehicle body 3 supported by coil springs 4a, 4b. The vehicle body 3 is displaceably mounted in the direction of movement Y with respect to the chassis 2, the neutral position or middle position being marked with "0" , The transverse forces Fq acting on the vehicle body 3 are partly transmitted via the helical springs 4a, 4b and further elements, but essentially transmitted by the inventive device 25 for switchable, active transverse centering and vibration damping in rail vehicles, also referred to as cursors 25 below. The curser 25 comprises a double-sided acted upon piston-cylinder unit 5 with a cylinder 7, in which the piston rods 6a are mounted with a piston 6b.
The piston rods 6a have at both outer ends depending on a bearing 6c, 6d, which are hingedly connected to fastening parts 3a, 3b of the vehicle body 3. In addition, a bearing 7k is arranged on the cylinder 7, which is connected via a connecting rod 8 and a bearing 2a hinged to the chassis 2.
In Fig. 2, a self-centering cursor 25 is shown. From the longitudinal section of the piston-cylinder unit 5 in both bearing points 7d, 7e mounted on both sides piston rods 6a with piston 6b and the cylinder 7 can be seen. The piston 6b divides the interior of the cylinder 7 into a first cylinder chamber 7f and a second cylinder chamber 7g. These two cylinder chambers 7f, 7g are fluid-conductively connected to one another via pressure lines 10a, 10b and the two electrical two-way valves 11a, 11b connected in parallel. Fig. 2 thus shows the curser 25 in the damping mode. The piston 6b is thereby freely movable in the direction of movement y at an attacking transverse force Fq, and its reaction forces determined by the action of the fluid, preferably a liquid such as oil.
The curser 25 has further elements required for the transverse spring operation and the automatic centering, which will be described in detail below. The cylinder inner wall has in the axial direction of the cylinder 7, arranged approximately in the center, a first annular channel 7a, and in the axial direction spaced on both sides a second or a third annular channel 7b, 7c. The first annular channel 7a is fluid-conductively connected via a pressure line 12a to a hydraulic accumulator 13 and to an expansion tank 16. The second annular channel 7b is connected via the pressure line 12b and the third annular channel 7c via the pressure line 12c to the expansion tank 16, wherein the pressure line 12b opens into the pressure line 12c. In addition, a pressure limiting valve 14 and a check valve 15 between the pressure line 12a and the pressure line 12b and 12c arranged.
The surge tank 16 includes a cylinder 16a, a piston 16b slidably mounted therein, and an air filter 16c. The interior of the piston 16b is fluidly connected to the pressure line 12a. With a corresponding pressure in the pressure line 12a, the piston 16b is displaced to the left because of its smaller area, as described in detail in FIG. 7, and presses a portion of the fluid located in the interior of the cylinder 16a into the pressure line 12c. The interior forming the right of the piston 16b is filled with air via the air filter 16c. Channels 6f, 6g are arranged in the piston 6b, with one channel 6f fluid-connecting the first cylinder chamber 7f, depending on the position of the piston 6b, with the first annular channel 7a, and the other channel 6g connecting the second cylinder chamber 7g with the first annular channel 7a combines.
In the illustrated damping mode, the valves 11a, 11b are opened, and the fluid has approximately the same pressure in the first and second cylinder chambers 7f, 7g and also in the fluid-conductively connected pressure lines 12a, 12b, 12c.
FIG. 4a shows, with the straight line 19, the course of the force-displacement diagram of the cursor 25 in the damping mode.
Fig. 3 shows the cursor 25 in transverse spring operation. The cylinder 6b was in the range shown in FIG. 4a at 19a during the damping operation. Thereafter, the valves 11a, 11b were closed, whereby the curser 25 is switched to the transverse spring operation, which has the bend shown in Fig. 4b between the curve sections 20b and 20c result. Fig. 3 shows the slightly shifted to the left piston 6b and the closed valves 11a, 11b. The annular channels 7a, 7b, 7c together with the piston 6b form a piston slide or a control edge 9a, 9b, so that in the illustrated arrangement there is no longer any fluid-conducting connection between the first cylinder chamber 7f and the pressure line 12b. In addition, there is no fluid-conducting connection through the channel 6g.
A transverse force Fq acting on the cylinder 7 to the right causes the piston 6b to shift to the left as shown in FIG. 4b along the curve 20c. In this case, fluid is conveyed from the first cylinder chamber 7f through the channel 6f in the first annular channel 7a and fed via the pressure line 12a the hydraulic accumulator 13, wherein the piston 16b is simultaneously displaced to the left, and fluid from the left interior 16d via the pressure line 12c and the annular channel 7c enters the second cylinder chamber 7g.
The valves 11a, 11b each include an electromagnet 11c and a position sensor 11d, which are each connected via an electrical line 18a, 18b, 18c, 18d to a drive device 17. The sensor 11d serves to monitor whether the valve 11a, 11b has switched. The valves 11a, 11b are connected in parallel for safety reasons and provided in duplicate.
The illustrated in Fig. 3 Curser 25 has in transverse spring operation on the curve shown in Fig. 4b. While the further movement of the piston 6b to the left follows the curve 20c, a movement of the piston 6b to the right to the centered position on the course of the curve 20b whose force-displacement characteristic corresponds approximately to that of the damping operation. Another movement to the right follows the course of the curve 20a. 4c shows the self-centering properties of the inventive curator 25. Starting from the course according to FIG. 4b, the piston 6b, when moved to the left, has a course corresponding to the curve 20c. When moving to the right, the movement takes place according to the curve 20b.
If, in turn, a movement to the left occurs, transverse spring operation takes place along a curve 20d running parallel to the curve 20c. This results in a self-centering effect in that a movement to the left is largely hindered, whereas a movement to the right is possible.
As soon as the piston 6b comes to rest approximately centrally in the middle position or in the axial direction with respect to the cylinder 7, pressure equalization takes place between the first and second cylinder chambers 7f, 7g, without the valves 11a, 11b being opened. In addition, the piston 16b is moved to the right until it stops. As can be seen in FIG. 2, this effect is achieved in that all three annular spaces 7a, 7b, 7c are fluid-conductively connected to the corresponding first and / or second cylinder space 7f, 7g in the region of the central position by a corresponding arrangement. This has the consequence that a pressure equalization between the cylinder chambers 7f, 7g takes place, so that the curser has the spring characteristic according to the curve 4d.
In Fig. 3, the cursor 25 has mechanical means such as the channels 6f, 6g and the annular spaces 7a, 7b, 7c which, together with the piston 6b, form control edges 9a, 9b in order to achieve automatic transverse centering. Instead of these means, however, controllable valves 26a, 26b, 26c, 26d, which are respectively connected to the pressure lines 12a, 12c, could be provided, as shown in FIG. 9, for automatic transverse centering by corresponding switching of the valves 26a, 26b , 26c, 26d. For this purpose, a displacement sensor for measuring the deflection of the piston 6b, a control device and preferably a pressure sensor for measuring the fluid pressure would additionally be required. The electronic control of the valves 26a, 26b, 26c, 26d is not shown in Fig. 9.
By a corresponding switching of the valves 11a, 11b, the curser 25 can be switched at any time between the damping operation and the transverse spring operation.
Fig. 5 shows a detailed view of the storage of a piston rod 6a in the cylinder 7. The bearing 7i and the seal 7h are arranged spaced apart in the running direction of the piston rod 6a by a length L. The length L is preferably selected such that the maximum travel of the piston rod 6a is less than the length L, with the result that the resting on the bearing 7i piston rod portion never comes to rest in the region of the seal 7h. In the area of the bearing 7i, the piston rod section always shows signs of wear. These thus never come to rest in the area of the seal 7h. As a result, the loss of leakage at the seal 7h is kept very low.
A small leakage is of central importance for the long-term operation of the inventive cursor 25, since this is designed as a closed system, and the loss of leakage must be covered by fluid located in the hydraulic accumulator 13.
Fig. 6 shows an embodiment of a piston rod 6a with piston 6b in detail. On the surface of the piston 6b, a longitudinal groove 6h is arranged at the top and at the bottom, which are fluid-conductively connected via the channel 6g to the second cylinder chamber 7g. As a top view, the longitudinal groove 6i is shown, which is fluid-conductively connected to the first cylinder chamber 7f via the channel 6f.
In contrast to the embodiment shown in FIG. 3, in the example according to FIG. 6, the first annular channel 7a is designed to be short in the axial direction, whereas the length of the longitudinal groove 6h is chosen to be adapted to provide a fluid-conducting connection between the first cylinder chamber 7f and the first second cylinder space 7g and the first annular channel 7a to maintain during a certain movement of the piston 6b. via the collar 6k and the inner ring 61, the piston rod 6a is fixedly connected to the piston 6b.
Fig. 7 shows a longitudinal section through the surge tank 16, also referred to as Differenzialausgleichszylinder. This comprises a cylinder 16a and a longitudinally displaceably mounted piston 16b, which is connected via a supply line 16f fluidly connected to the pressure line 12a. The piston interior or second cylinder chamber 16e is sealed off via seals 16h with respect to the air-side cylinder chamber 16i. The first cylinder chamber 16d is sealed by seals 16g. The first cylinder chamber 16d is fluid-conductively connected to the pressure line 12c. When the piston 16b is moved to the left, the interior 16i on the right is filled with air via the air filter 16c.
The side view according to FIG. 8a shows a very compact monobloc designed curser 25 with piston-cylinder unit 5, piston rod 6a, bearings 6c, 6d, 6e, the hydraulic accumulator 13 and a housing 22 in which the valves 11a, 11b and the corresponding pressure lines 10a, 10b are arranged. Between the cylinder 7 and the end of the piston rods 6a, a bellows 23 is arranged on both sides to protect them.
8b shows the curser 25 according to FIG. 8a in a plan view. In the housing 21 of the expansion tank 16 and the pressure lines 12a, 12b, 12c, and the pressure relief valve 14 and the check valve 15 are arranged. The hydraulic accumulator 13 with filling opening 13a is arranged laterally on the housing 21 and firmly connected thereto. On the housing 22, the plug 22a can be seen, which serves as a connection for the control signal.
The bearings 6c, 6d can be fastened directly to corresponding fastening parts 3a, 3b of a vehicle body. Since the distance of the fastening parts 3a, 3b is usually fixed, it may prove advantageous to provide an adapter 24. These adapters 24 can be fastened to the bearings 6c, 6d and have, for example, bores 24a for screws in order to fasten the adapter 24 to the vehicle body. The adapter allows differences between mounting parts 3a, 3b and bearings 6c, 6d to compensate. In the illustrated embodiment, the bearings 6c, 6d are spaced further than the attachment point indicated at 24a on the vehicle body. This adapter thus has the advantage that the curser 25 can be made longer than is defined by the arrangement of the fastening parts 3a, 3b.
This makes it possible to build a compact cursor 25 in which all required parts are accommodated. In particular, the pressure accumulator can be accommodated directly on the curser 25.
The hydraulic fluid used in the curser 25 is preferably oil. On the one hand, the hydraulic accumulator 13 stores the liquid and, on the other hand, it is filled with nitrogen of, for example, 60 bar pressure. Depending on the pressure, the characteristic curve according to FIG. 4d has a different pitch, so that the spring characteristic can be preset via the selectable pressure of the nitrogen.
The inventive cursor 25 has the advantage that this is designed very compact, and that no external supply of air or oil is required. The hydraulic accumulator 13 is arranged directly on the cursor 25, so that no additional hose is required. This leads to increased reliability. In addition, no hose must be connected to the Cursator 25 during commissioning. If such a hose is used, then there is always the risk that contamination occurs or that an unsuitable oil is filled during assembly and commissioning. The inventive cursor 25 thus allows a simple and reliable installation and commissioning.
The inventive cursors consists of relatively few individual parts.
The inventive curser allows to limit the lateral movements of the vehicle bodies of rail vehicles. The curser is usually switched before crossing over turnouts on the transverse spring operation and then switched back to the damping mode. The curser has the advantage that a passenger in a train equipped with cursors does not notice a difference in traction comfort between a pull and a jerk.
The check valve 15 opens when the pressure in the pressure line 12c is substantially higher than in the pressure line 12a. This occurs, for example, when the piston 16b of the surge tank 16 is at the right stop, and the piston 6b of the cursor 25 is moved to the right along the curve 20c shown in Fig. 4c. In this case, the pressure in the second cylinder chamber 7g increases, so that the check valve 15 opens, and via the pressure line 12a, the first annular channel 7a and the channel 6f part of the fluid located in the second cylinder chamber 7g flows into the first cylinder chamber 7f.