Schienenfahrzeug mit erhöhter Seitenwindstabilität

Die Erfindung bezieht sich auf ein Schienenfahrzeug nach dem Oberbegri f f von Anspruch 1 . Danach ist ein Schienenfahrzeug bekannt , für das eine Fahrtrichtung vorgegeben ist und dass ein vorlaufendes Drehgesell an einem in Fahrtrichtung vorderen Ende des Schienenfahrzeugs ein nachlaufendes Drehgestell an den der Fahrtrichtung entgegengerichteten Ende des Schienenfahrzeugs aufweist , wobei das vorlaufende Drehgestell und das nachlaufende Drehgestell j eweils mit einer Wankstütze ausgestattet sind .

Insbesondere Hochgeschwindigkeits züge zeichnen sich durch lange , bezüglich ihres Fahrwiderstands aerodynamisch optimierte und besonders leicht ausgeführte Wagenkästen aus . Dabei führen die aerodynamischen Eigenschaften in Kombination mit dem versehenen Leichtbau insbesondere bei Endwagen zu einer großen Empfindlichkeit bezüglich einer Beaufschlagung mit Seitenwind .

Diese Problematik kann ebenso bei Regional zügen auftreten, insbesondere wenn diese als Doppelstock-Fahrzeuge ausgeführt sind, die naturgemäß eine Empfindlichkeit gegenüber Seitenwind besitzen .

Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde , ein insbesondere als vorlaufender Endwagen eines mehrteiligen Zuges eingesetztes Schienenfahrzeug der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass eine erhöhte Stabilität gegenüber einer Beaufschlagung des Schienenfahrzeugs mit Seitenwind erreicht wird .

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Schienenfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1 . Danach zeichnet sich das eingangs beschriebene Schienenfahrzeug dadurch aus , dass Wankstei figkeiten der Wankstützen des vorlaufenden Drehgestells und des nachlaufenden Drehgestells derart verschieden gewählt sind, dass bei Beaufschlagung des Schienenfahrzeugs mit Seitenwind einer ungleichen Radentlastung an dem vorlaufenden und dem nachlaufenden Drehgestell entgegengewirkt wird .

Den technischen Maßnahmen des Anspruchs 1 liegt die Erkenntnis zugrunde , dass eine Beaufschlagung des Schienenfahrzeugs mit Seitenwind zu verschieden großen Radentlastungen beim vorderen und hinteren Drehgestell führt . Durch die Auslegung der Wankstützen des vorlaufenden und nachlaufenden Drehgestells wird erreicht , dass die genannten Radentlastungen sich weniger voneinander unterscheiden, als wenn beide Drehgestelle mit gleichen Wankstei figkeiten ausgelegt wären . Im Ergebnis sind die Wankstützen des vorlaufenden und des nachlaufenden Drehgestells asymmetrisch ausgelegt , d . h . sie besitzen voneinander abweichende Wankstei figkeiten, welche Unterschiede in den Radentlastungen des vorlaufenden und des nachlaufenden Drehgestells gering halten .

Bevorzugt sind die Wankstei figkeiten der Wankstützen des vorlaufenden und des nachlaufenden Drehgestells derart gewählt , dass bei Beaufschlagung des Schienenfahrzeugs mit Seitenwind Radentlastungen an dem vorlaufenden und nachlaufenden Drehgestell minimal sind . In dieser Weise werden die Auswirkungen einer Beaufschlagung des Schienenfahrzeugs mit Seitenwind auf die Fahreigenschaften des Schienenfahrzeugs minimiert . Das vorlaufende Drehgestell und das nachlaufende Drehgestell können insbesondere als innen gelagerte Drehgestelle ausgeführt sein .

Das Verhältnis der Wankstei figkeiten der Wankstützen des vorlaufenden und des nachlaufenden Drehgestells hängt davon ab, wie sehr die Radentlastung zwischen vorderem und hinterem Drehgestell bei seitlichem Einfall z . B . einer Windböe ungleich ist . Beträgt z . B . die relative Radentlastung am vor- laufenden Drehgestell bei einer Windböe 90% und am nachlaufenden Drehgestell 70% ist eine größere Umverteilung erforderlich als z . B . bei 90% relativer Radentlastung vorne und 85% relativer Radentlastung hinten . Die Umverteilung ist zudem abhängig von den aerodynamischen Eigenschaften (Aerodynamisches Gier- oder Nickmoment und der Schwerpunkts Lage des Schienenfahrzeugs in Längsrichtung . Die Ungleichverteilung der Radentlastungen zwischen vorlaufendem und nachlaufendem Drehgestell ist über die Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs relativ konstant , so dass die mit Hil fe der verschiedenen Wankstei figkeiten erzielte Umverteilung zwischen vorlaufendem und nachlaufendem Drehgestell über den gesamten Ge- schwindigkeitsbereich des Fahrzeugs wirkt . In der Praxis wird man sie auf die Geschwindigkeit optimieren, bei der das Schienenfahrzeug, insbesondere eingesetzt als vorlaufender Endwagen eines Zuges , seitenwindtechnisch am kritischsten ist .

Die Wankstei figkeit der Wankstütze des vorlaufenden Drehgestells ist bevorzugt geringer als die Wankstei figkeit der Wankstütze des nachlaufenden Drehgestells . Dieser Maßnahme liegt die Erkenntnis zugrunde , dass das vorlaufende Drehgestell bezüglich seiner Radentlastung durch Seitenwind kritischer ist als das nachlaufende Drehgestell . Insbesondere kann beobachtet werden, dass eine kritische mittlere Radentlastung von 90% am vorlaufenden Drehgestell bei deutlich geringeren Windgeschwindigkeiten erreicht , wird als am nachlaufenden Drehgestell . Auf die Ursachen für diese Feststellung wird später noch näher im Detail eingegangen werden .

Bei den Wankstützen mit unterschiedlichen Wankstei figkeiten kann es sich grundsätzlich sowohl um primäre Wankstützen ( angeordnet zwischen Radsätzen und Drehgestellrahmen oder sekundäre Wankstützen handeln . Bevorzugt sind j edoch die Wankstützen des vorlaufenden und des nachlaufenden Drehgestells j eweils als sekundäre Wankstützen ausgeführt , die zwischen einem Wagenkasten des Schienenfahrzeugs und einem j eweiligen Drehgestell , insbesondere dessen Drehgestellrahmen, angeord- net sind . Zur Aus führung der Erfindung sind sekundäre Wankstützen bevorzugt , da bei einer Verstei fung von primären Wankstützen beider Radsätze an einem zweiachsigen Drehgestell die Verwindung der Radsätze zueinander erschwert würde , was sich negativ auf die Fahreigenschaften des Schienenfahrzeugs auswirken kann . Dieser negative Ef fekt , der sich bei der Verstei fung von Wankstützen ergibt , tritt bei sekundären Wankstützen in der Weise nicht auf .

In einer bevorzugten Aus führungs form können die verschiedenen Wankstei figkeiten der Wankstützen des vorlaufenden oder des nachlaufenden Drehgestells dadurch realisiert sein, dass bei den Wankstützen des vor- und des nachlaufenden Drehgestells Torsionsstäbe mit unterschiedlicher Torsionsstei figkeit eingesetzt sind . Alternativ dazu können die verschiedenen Wankstei figkeiten der Wankstützen des vorlaufenden und des nachlaufenden Drehgestells auch dadurch realisiert sein, dass bei den Wankstützen verschieden lange Hebel zwischen Torsionsstab und Drehgestellrahmen eingesetzt sind .

Bevorzugt entspricht eine Gesamt-Wankstei figkeit der Wankstützen des vorlaufenden und des nachlaufenden Drehgestells einer Gesamt-Wankstei figkeit des vorlaufenden und nachlaufenden Drehgestells identischen Wankstei figkeiten unter Berücksichtigung einer Beaufschlagung des Schienenfahrzeugs mit Seitenwind . Dies hat den Vorteil , dass ein Neigekoef fi zient (Wankwinkel des Wagenkastens des Schienenfahrzeugs relativ zu den Radsätzen im Verhältnis zum Wankwinkel der Radsätze ; definiert in der EN 14363 ) des Schienenfahrzeugs gegenüber einem Schienenfahrzeug, dass nicht in der hier beschriebenen Weise hinsichtlich seiner Seitenwandstabilität verbessert ist , ungeändert bleibt . Die erforderliche Gesamt- Wankstei figkeit leitet sich aus dem einzuhaltenden Lichtraumprofil ab . Der Wagenkasten darf nur so sehr wanken, dass der zur Verfügung stehende Lichtraum nicht verletzt wird . Aus führungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen noch näher erläutert . Es zeigen :

Figur 1 eine perspektivische Ansicht eines Wagenkastens eines Schienenfahrzeugs ,

Figur 2 eine perspektivische Ansicht eines vorlaufenden Drehgestells des Schienenfahrzeugs nach Figur 1 ,

Figur 3 eine perspektivische Ansicht eines nachlaufenden Drehgestells des Schienenfahrzeugs von Figur 1 ,

Figur 4 eine Seitenansicht des vorlaufenden Drehgestelles des Schienenfahrzeugs nach Figur 1 ,

Figur 5 eine Ansicht von oben des Drehgestells nach Figur

4 ,

Figur 6 eine perspektivische Ansicht eines Teils einer Wankstütze eines der Drehgestelle des Schienenfahrzeugs nach Figur 1 und

Figur 7 eine perspektivische Ansicht eines Lenkers der Wankstütze von Figur 6 .

Figur 1 zeigt als Beispiel für ein Schienenfahrzeug mit verbesserter Seitenwindstabilität einen führenden/vorlauf enden Endwagen eines mehrteiligen Zuges , mit einem Wagenkasten 1 , einem vorlaufenden Drehgestell 2 und einem nachlaufenden Drehgestell 3 , wobei beide Drehgestelle als innen gelagerte Drehgestelle ausgeführt sind . In Figur 1 sind zudem die an dem Wagenkasten 1 angrei fenden Kräfte und Momente angegeben, die bei einer Beaufschlagung des Wagenkastens 1 mit Seitenwind, zum Beispiel einer seitlich einfallenden Windböe generiert werden . Eine Seitenkraft FW, y grei ft dabei auf einer Höhe einer Schienenoberkante an und bewirkt somit ein Drehmoment bezüglich der Radauf Standspunkte der Drehgestelle 2 , 3 . Die Windböe zeugt zudem ein Rollmoment MW, x ( Drehung um die Fahrzeuglängsachse ) . Dieses Rollmoment MW, x bewirkt eine Entlastung der luvseitigen Räder der Drehgestelle 2 , 3 .

Eine Fahrtrichtung des Schienenfahrzeugs ist anhand eines Pfeiles R veranschaulicht .

Des Weiteren bewirkt ein sich aufgrund der Beaufschlagung mit Seitenwind ergebende Vertikalkraft FW, z ein Ausheben des Wagenkastens 1 und damit verbunden eine zusätzliche Entlastung sämtlicher Räder der Drehgestelle 2 , 3 . Neben dem vorstehend erläuterten Auftrieb (Vertikalkraft FW, z ) und dem Rollmoment MW, x bewirkt der seitlich an dem Wagenkasten 1 angrei fende Wind zudem ein nennenswertes Moment MW, z um die Hochachse des Wagenkastens 1 . Dieses Gier-Moment MW, z , das auf den Wagenkaten 1 wirkt , muss durch, vergleiche Figuren 2 und 3 , ein Kräftepaar FMz , h und FMz , v an einer Anbindung des Wagenkastens 1 an die Drehgestelle 2 , 3 ausgeglichen werden . Dieses Kräftepaar bewirkt eine zusätzliche Entlastung der Räder des vorlaufenden Drehgestells 2 und eine verringerte Entlastung der Räder des nachlaufenden Drehgestells 3 . Dies hat wiederum zur Folge , dass das vorlaufende Drehgestell 2 bezüglich seiner Radentlastung kritischer ist als das nachlaufende Drehgestell 3 . Eine kritische mittlere Radentlastung von 90% wird bei dem vorlaufenden Drehgestell bei deutlich geringeren Windgeschwindigkeiten erreicht als am nachlaufenden Drehgestell 3 .

Die Drehgestelle 2 , 3 unterscheiden sich in ihren Wanksteifigkeiten um eine verbesserte Seitenwindstabilität des Wagenkastens 1 zu realisieren . Dies wird später noch mehr im Detail erläutert .

Die Drehgestelle 2 , 3 sind j eweils mit einer Wankstütze 4 , 5 ausgestattet . Dabei unterscheidet sich die Wankstütze 4 des vorlaufenden Drehgestells 2 in ihrer Stei figkeit von der Wankstütze 5 des nachlaufenden Drehgestells 3 dahingehend, dass sie geringer ist als die Wankstei figkeit der Wankstütze 5 des nachlaufenden Drehgestells 3 .

Aufbau und Funktionsweise der Wankstützen 4 , 5 werden nunmehr anhand der Figuren 4 und 5 näher erläutert . Bei den Wankstützen 4 , 5 handelt es sich um sog . sekundäre Wankstützen, die einerseits am Wagenkasten 1 des Schienenfahrzeugs und andererseits an einem Drehgestellrahmen 6 des Drehgestells 2 angelenkt sind .

Die Figuren 4 und 5 zeigen beispielshalber das vorlaufende Drehgestell 2 , dessen Wankstütze 4 prinzipiell in derselben Weise funktioniert wie die Wankstütze 5 des nachlaufenden Drehgestells 3 . Es sind, wie später erläutert wird, lediglich Maßnahmen getrof fen, verschiedene Wankstei figkeiten der Wankstützen 4 , 5 zu realisieren, ohne dass sich die Wankstützen 4 , 5 in ihrem Grundaufbau unterscheiden .

Die Wankstütze 4 weist einen Torsionsstab 7 auf , der Torsionsstab 7 ist rotatorisch am Wagenkasten gelagert , und zwar mit Hil fe zweier Drehlager 8 , die an einer Unterseite des Wagenkastens 1 angebracht sind . Uber hori zontale Lenker 9 und vertikale Lenker 10 ist der Torsionsstab 7 über ein drehgestellseitiges Lager 11 an dem Drehgestellrahmen 6 angelenkt .

Bei gleichmäßigem Einfedern von Sekundärf edern 12 des Wagenkastens 1 auf beiden Fahrzeugseiten rotiert der Torsionsstab 7 innerhalb der Lager 8 und es wird kein Moment auf gebaut . Bei Auftreten einer Wankbewegung für den Wagenkasten 1 , d . h . einer Drehung des Wagenkastens 1 um seine Längsachse , ergibt sich j edoch auf beiden Seiten des Wagenkastens 1 ein ungleichmäßiges Einfedern . Dies bewirkt , dass der Torsionsstab 7 tordiert und damit der auftretenden Wankbewegung des Wagenkastens 1 entgegenwirkt .

Figur 6 veranschaulicht die auf den Wagenkasten 1 wirkenden

Kräfte FWa, 1 und FWa, r, die ein Abstützen des Wankmoments auf den Wagenkasten 1 ausüben. Dieses Wankmoment MW lässt sich über berechnen. Dabei ist c _T eine Torsionssteifigkeit des Torsionsstabs 7 und <p _w der Wankwinkel des Wagenkastens 1. Dabei wird angenommen, dass der Wagenkasten 1 torsionssteif ist, so dass der Wankwinkel n _w an beiden Drehgestellen 2, 3 gleich ist. Durch eine Modifikation der Torsionssteifigkeit c _T lassen sich so unterschiedliche Wankmomente am vorlaufenden und nachlaufenden Drehgestell erzielen. Durch eine höhere Wanksteifigkeit an der hinteren Wankstütze 5 als an der vorderen Wankstütze 4 wird das Rollmoment MW,x, vergleiche Figur 1, stärker am nachlaufenden Drehgestell 3 abgestützt. Eine Radentlastung wird vom vorlaufenden Drehgestell 2 zum nachlaufenden Drehgestell 3 umverteilt, während eine Gesamtentlastung aller luvseitigen Räder der Drehgestelle 2, 3 gleichbleibt. Die Steifigkeiten der Wankstützen 4, 5 sind so angepasst, dass eine Radentlastung an dem vorlaufenden und dem nachlaufenden Drehgestell gleich ist und beide Drehgestelle 2, 3 damit optimal bezüglich einer Erhöhung der Seitenwindstabilität des Wagenkastens 1 eingesetzt werden.

Um einen Neigekoeffizienten des Wagenkastens 1 nicht zu ver- ändern, werden die Wanksteifigkeiten der Wankstützen 4 , 5 so modifiziert, dass die Gesamt-Wanksteifigkeit c _ges des Wagenkastens 1 konstant bleibt. Es muss also gelten: mit

Ausgehend von gleichen Wanksteifigkeiten der Wankstützen 4, 5 wird zur Erhöhung der Seitenwindstabilität des Wagenkastens 1 z. B. die Wanksteifigkeit der Wankstütze 4 des vorlaufenden Drehgestells 2 verringert. Entsprechend vorstehender Gleichung 2 muss somit die Wanksteifigkeit der Wankstütze 5 des nachlaufenden Drehgestells 3 erhöht werden, so dass der Neigekoeffizient unverändert bleibt.

In einer Aus führungs form kann eine erforderliche Erhöhung bzw. Verringerung der Torsionssteifigkeit für einen der Torsionsstäbe 7 über einen erhöhten bzw. verringerten Durchmesser des betreffenden Torsionsstabs 7 erzielt werden.

Eine alternative Möglichkeit zur Erhöhung bzw. Verringerung der Wanksteifigkeiten der Wankstützen 4, 5 besteht darin, eine Hebellänge 1 der Hebel 9 zu verkürzen bzw. zu verlängern. Dies wird anhand von Figur 7 erläutert.

Die Verkürzung bzw. Verlängerung der Hebellänge 1 stellt eine effektive Methode zur Modifikation der Wanksteifigkeit der Wankstützen 4 bzw. 5 dar, da die Hebellänge 1 quadratisch in die Wanksteifigkeit eingeht. Zusätzlich ergibt sich im Zusammenwirken mit dem Ausheben des Wagenkastens 1 ein weiterer positiver Effekt:

Die Wanksteifigkeiten nach den Gleichungen 2 und 3 setzen kleine Auslenkungen der Wankstützen 4, 5 um ihre Ruhelagen voraus. Bei starken Seitenwindböen findet jedoch ein Ausheben des Wagenkastens 1 durch die Auftriebskraft FW,z, vgl . Figur 1, statt, wodurch die sekundären Wankstützen 4, 5 der Drehgestelle 2, 3 stärker abgelenkt werden.

Bei einem um die Höhe h ausgehobenen Wagenkasten 1 wirkt eine abstützende Kraft Fw über die Hebellänge l _e ff mit l _eff = 'll ² - h ² ( 4 ) auf den Torsionsstab 7. Hierdurch vergrößert sich nach den Gleichungen 2 und 3 die Wanksteifigkeit. Bei gleichen Aushebewegen am vorlaufenden und nachlaufenden Drehgestell 2, 3 sowie unterschiedlichen Hebellängen 1 (längerer Hebel am vor- laufenden Drehgestell , kürzerer Hebel am nachlaufenden Drehgestell ) steigt die Wankstei figkeit am nachlaufenden Drehgestell 3 im ausgehobenen Zustand des Wagenkastens 1 stärker als vorne . Dies unterstützt den zu erzielenden Ef fekt , näm- lieh die Umverteilung der Radentlastung am vorlaufenden Drehgestell 2 und am nachlaufenden Drehgestell 3 bei auftretendem Seitenwind . Hierdurch ist der Unterschied der Wankstei figkeiten der Wankstützen 4 , 5 im nicht-ausgehobenen Zustand des Wagenkastens 1 geringer als bei der vorstehend erläuterten Modi fikation der Wankstei figkeiten über den Durchmesser der Torsionsstäbe 7 .