Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Bahntechnik. Sie betrifft ein Schienenfahrzeug gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 .

Stand der Technik

Bestehende spurgebundene Fahrzeuge konventioneller Art verfügen über Fede- rungssysteme, welche den Wagenkasten von dem Fahrweg dynamisch isolieren. Diese Federungssysteme, im Fahrwerk untergebracht, weisen eine mehrstufige Konstruktion auf, weshalb sie als Primär-, Sekundär- (usw.) Federung bezeichnet werden. Ein Teil des gesamten Federungssystems - z. B. die Sekundärfederung - ermöglicht eine relative vertikale und laterale Bewegung des Wagenkastens ge- genüber dem Hauptteil (Drehgestellrahmen) des Fahrwerks.

Die oben genannten relativen Bewegungen werden im Rahmen einer Charakteristik Kraft / Weg der betroffenen elastischen Bauteile (Federn verschiedener Art) realisiert. Die Auslegung dieser Charakteristiken spielt eine wichtige Rolle für die dynamischen Eigenschaften der Fahrzeuge, wobei dabei auf sehr unterschiedliche Betriebsbedingungen Rücksicht genommen werden muss. Es handelt sich dabei z. B. um unterschiedliche Geschwindigkeitsbereiche bzw. sehr differenzierte Gleistrassierungen.

Unter diesen Umständen ist es bei einfachen elastischen Bauteilen oft nicht mög- lieh, allen Anforderungen im Zusammenhang mit den dynamischen Fahrzeugeigenschaften gerecht zu werden. Dies führt zu komplexeren konstruktiven Lösungen in Bezug auf die elastische Federung. Bei der Queraufhängung (Querfede- rung) kann das in einem einfachen Fall ein elastischer Queranschlag, parallel zur Hauptfeder (Tragfeder) sein.

Zu den bekanntesten Konfliktsituationen bei der Auswahl vom Querfederungskon- zept und dessen Parametern gehört ein Verlangen nach einer möglichst weichen Charakteristik wegen des Komforts bei mittleren und höheren Geschwindigkeiten im geraden Gleis und im Bogen einerseits, und gleichzeitig einer härteren Charakteristik mit der Wegbegrenzung wegen des Freiraums für das Fahrzeugprofil und wegen der Pufferüberdeckung bei kleineren Geschwindigkeiten in einer Wei- chenstrasse (vor allem im sogenannten S-Bogen).

Wenn das Konfliktproblem mittels Einschränkung der relativen Querbewegung Wagenkasten/Drehgestell während einer Fahrt in Weichenstrassen (z.B. im sogenannten S-Bogen) gelöst werden soll, dann kann eine aktiv gesteuerte Anlage eingebaut werden, welche die Charakteristik versteift und den Weg einschränkt. Diese Anlage kann durch die Unter- bzw. Überschreitung einer Schwellengeschwindigkeit ein- oder ausgeschaltet werden. Eine solche Anlage, in einem Reisezugwagen installiert, befindet sich im Betrieb. Eine aktive Anlage hat gewisse Nachteile, vor allem eine höhere Komplexität; ausser einem mechanischen Teil besitzt sie auch ein Steuerungssystem. Folgen dieser Komplexität sind höhere Produktions- und Unterhaltskosten wie auch Ausfallrisiken und deren Konsequenzen. Der mechanische Teil der oben erwähnten Anlage, ohnehin dem Verschleiss ausgesetzt, befindet sich immer in Bewegung, auch dann, wenn das situativ gar nicht nötig wäre. In solchen Fällen treten ausserdem parasitäre Wirkungseffekte in Form von Widerstandskräften auf.

Aus der Druckschrift CH-358 464 ist eine Einrichtung an Schienenfahrzeugen mit Drehgestellen zur Begrenzung des Querspiels zwischen dem Wagenkasten und dem Drehgestellrahmen mittels zwischen dem Wagenkasten oder der Wiege einerseits und dem Drehgestellrahmen anderseits vorgesehener Anschläge bekannt, bei der die Anschläge eines Paares bei Verdrehung des Drehgestells sich derart gegeneinander verstellen, dass der Querabstand der Stossstellen des den Ausschlag des Wagenkastens nach der kurvenäusseren Seite bestimmenden Anschlagpaares sich vergrössert und der Querabstand der Stossstellen des den Ausschlag des Wagenkastens nach der kurveninneren Seite bestimmenden An- schlagpaares sich verkleinert.

In einer möglichen Ausführungsform sind dabei die Begrenzungsanschläge nicht ausserhalb des Drehgestellrahmens, sondern etwa an der bisher üblichen Stelle im Innern des Rahmens angeordnet. Diese Einrichtung besteht dann aus einem am Drehgestellrahmen verschiebbaren Anschlagstück und einem an der Wiege des Drehgestells befestigten Stosspuffer, die beide die entsprechenden Schrägflächen aufweisen. Das Anschlagstück ist über eine Stossstange mit dem Wagenkasten verbunden. Es sind auch noch andere von der Drehung des Drehgestells unter dem Wagenkasten abhängige Spielveränderungsmittel denkbar, z. B. No- cken, die durch eine Zahnstange abhängig von der Verdrehung des Drehgestells über eine Stossstange verstellt werden. Diese Art der gesteuerten Querspielveränderung ist jedoch auf die Drehgestelle selbst beschränkt.

Die Druckschrift CH 670 227 offenbart eine gleisbogenabhängig gesteuerte Wa- genkasten-Querspielbegrenzungseinrichtung für Schienenfahrzeuge, mit Festanschlagelementen zur Begrenzung der maximalen Auslenkung zwischen Drehgestell und Wagenkasten sowie Elementen zum Abfedern kleinerer Auslenkungen, welche Federelemente eine mit der seitlichen Auslenkung progressiv wachsende Reaktionskraft erzeugen, wobei Mittel vorgesehen sind, um Querkräfte zwischen Drehgestell und Wagenkasten im wesentlichen asymptotisch in Funktion der relativen Querwege zwischen den beiden anwachsen zu lassen, wobei die Asymptote durch die Festanschlagelemente festgelegt ist.

Insbesondere sind dabei ein zur Begrenzung eines maximalen Querspiels be- stimmter Festanschlag und ein für den dynamischen Querfederbereich bestimmter Querpuffer, welcher als elastische Rolle ausgebildet ist, in einem Aktivteil zusam- mengefasst und dieser mit einem Passivteil gepaart. Der Passivteil ist als Gegen- stück zum Aktivteil ausgebildet und weist für den Festanschlag eine Anschlagfläche sowie für die elastische Rolle eine Lauffläche auf, die als verschiedenartig gekrümmte Kulissenflächen ausgebildet sind. Eine gesteuerte Veränderung des Querspiels ist nicht vorgesehen.

Die Druckschrift DE 198 38 321 beschreibt einen bogenabhängigen Queranschlag für die Beschränkung des Querspiels zwischen Wagenkästen und Fahrwerken von Schienenfahrzeugen, bestehend aus einer Rolle und einer Konturplatte, welche einerseits einen Festanschlag aufweist und andererseits mit einem elastischen Anschlag versehen ist, wobei die Rolle an dem Fahrwerk oder an dem Wagenkasten und die Konturplatte an dem jeweils anderen Fahrzeugteil angeordnet sein kann. Die Kontur des elastischen Anschlags ist dabei in Abhängigkeit zur Kontur des Festanschlages derart ausgebildet, dass die Quersteifigkeit und der Querfederweg des elastischen Anschlags in Abhängigkeit des Gleisbogens variabel aus- führbar sind. Eine gesteuerte Veränderung des Querspiels ist nicht vorgesehen.

Aus der Druckschrift DE 198 51 157 ist ein Begrenzungsanschlag mit einem mindestens bei Bogenstellungen in Querrichtung eines Schienenfahrzeuges wirksamen Queranschlagskonturabschnitt bekannt, der im Zusammenwirken mit einer auf dem Begrenzungsanschlag angeordneten Konturbahn und auf dieser abrollenden Stützrolle die Querauslenkung eines Wagenkastens eines Schienenfahrzeuges gegenüber einem Fahrwerk begrenzt, wobei entweder der Begrenzungsanschlag oder die Stützrolle dem Fahrwerk oder dem Wagenkasten zugeordnet ist. Insbesondere ist an dem Begrenzungsanschlag zur Begrenzung des Quer- spiels auch ein Konturabschnitt zur Drehbegrenzung angeordnet, der die

Ausdrehbarkeit des Fahrwerks gegenüber dem Wagenkasten begrenzt. Eine gesteuerte Veränderung des Querspiels ist nicht vorgesehen.

Die Druckschrift EP 0 693 410 offenbart einen bogenabhängigen Queranschlag für die Beschränkung des Querspiels zwischen Wagenkasten und Drehgestell bei Schienenfahrzeugen, bestehend aus einer Rolle und einer Konturplatte, wobei jeweils eine von beiden an dem anderen Fahrzeugteil angeordnet ist. Die Rolle ist dabei auf einem Umlenkteil gelagert, dessen anderes Hebelende an einem elastischen Anschlag anliegt. Eine gesteuerte Veränderung des Querspiels ist nicht vorgesehen. Aus der Druckschrift WO2010/070179 ist schliesslich ein ähnliches System zur bogenabhängigen Verstellung eines Queranschlags innerhalb des Drehgestells bekannt, wie aus der o.g. CH 358 464.

Darstellung der Erfindung

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, mittels einer passiven Vorrichtung die Charakteristik der Querfederung derart zu steuern, dass insbesondere der Pufferversatz und die Querbeschleunigung im Wagenkasten während einer Fahrt im S-Bogen entsprechend reduziert werden können. Des Weiteren sollen generell, in Abhängigkeit von der detaillierten Auslegung dieser Vorrichtung, die dynamischen Eigenschaften eines Fahrzeugs unter bestimmten Bedingungen und/oder in transienten Betriebsbereichen verbessert werden können. Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Das erfindungsgemässe Schienenfahrzeug umfasst einen Wagenkasten, welcher auf wenigstens einem Drehgestell federnd basiert. Es zeichnet sich dadurch aus, dass zur Begrenzung des Querspiels bei engen Kurvenfahrten eine zwischen Wagenkasten und Drehgestell wirkende, über einen Mechanismus, vorzugsweise ei- nen Hebelmechanismus, mechanisch gesteuerte Querspielbegrenzungsvorrich- tung vorgesehen ist, die das Querspiel in Abhängigkeit vom Ausdrehwinkel des Drehgestells begrenzt.

Dabei wird allgemein vorgesehen, dass zwischen dem Wagenkasten und dem Drehgestell ein Mechanismus eingebaut wird der bei der Kurvenfahrten das Querspiel zwischen den genannten Fahrzeugkomponenten reduziert. Die Kontaktstelle in Querrichtung zwischen dem Wagenkasten und Drehgestell wird im Allgemeinen nicht in der lateralen Symmetrieachse des Drehgestells ausfallen. Somit kann die Kraftübertragung zwischen den beiden Fahrzeugkomponenten günstiger positioniert werden. Auch auf die konstruktiv-geometrische Gestaltung des Mechanismus muss kräftig mit Neuerungen eingegriffen werden, denn dies erweist sich für die 5 optimale Wirkung des Mechanismus von entscheidender Bedeutung.

Darüber hinaus bilden die Randbedingungen des ganzen Systems jene Parameterauswahl für die Ausgestaltung des Mechanismus per se. Solche Parameter werden zum einen von den Fahrzeughauptdaten, vor allem Drehzapfen- und Radi o abstand, Überhang des Wagenkastens bis zu der jeweiligen Dämpfung, und zum anderen durch die Gleistrassierung gebildet.

Eine Ausgestaltung des erfindungsgemässen Schienenfahrzeugs ist dadurch gekennzeichnet, dass der Hebelmechanismus ein Hebelelement umfasst, das dreh- 15 beweglich am Drehgestell angelenkt und über ein Abstandselement mit dem Wagenkasten verbunden ist, derart, dass es an einer Kontaktstelle zum Wagenkasten den Abstand zum Wagenkasten auf der einen Seite verringert, wenn das Drehgestell eine Ausdrehbewegung zur anderen Seite ausführt.

20 Insbesondere weist das Drehgestell einen Drehgestellrahmen auf, wobei das Hebelelement am Drehgestellrahmen drehbeweglich angelenkt ist.

Eine andere Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass der Wagenkasten im Bereich des Drehgestells eine Traverse aufweist, und dass das Hebelelement 25 über das Abstandselement mit der Traverse verbunden ist.

Eine andere Ausgestaltung, die nach Art einer kinematischen Umkehr ausgebildet ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass der Hebelmechanismus ein Hebelelement umfasst, das drehbeweglich am Wagenkasten angelenkt und über ein Abstands- 30 element mit dem Drehgestell verbunden ist, derart, dass es an einer Kontaktstelle den Abstand zum Drehgestell auf der einen Seite verringert, wenn das Drehgestell eine Ausdrehbewegung zur anderen Seite ausführt. Insbesondere weist dabei das Drehgestell einen Drehgestellrahmen auf, wobei das Hebelelement über das Abstandselement mit dem Drehgestellrahmen verbunden ist.

Gemäss einer Weiterbildung dieser Ausgestaltung weist der Wagenkasten im Bereich des Drehgestells eine Traverse auf, wobei das Hebelelement drehbeweglich an der Traverse angelenkt ist. Eine weitere Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktstelle von zwei Elementen gebildet wird, die am Wagenkasten bzw. am Hebelelement angeordnet sind.

Die zwei die Kontaktstelle bildenden Elemente können dabei als feststehende Elemente ausgebildet sein.

Zumindest eines der zwei die Kontaktstelle bildenden Elemente kann aber auch als drehbewegliches Konstruktionsteil, insbesondere als Rolle ausgebildet sein. Eine andere Ausgestaltung sieht vor, dass pro Drehgestell wenigstens zwei gleichartige Querspielbegrenzungsvorrichtungen quer zur Fahrtrichtung auf gegenüberliegenden Seiten vorgesehen sind.

Gemäss einer weiteren Ausgestaltung ist innerhalb der Querspielbegrenzungsvor- richtung an einer geeigneten Stelle ein elastisches, ggf. auch dämpfendes Zwischenelement, insbesondere unter Einbeziehung von Gummi, angeordnet.

Die wesentlichen Vorteile der Erfindung sind zusammenfassend darin zu sehen, dass eine Reduktion der Querbeschleunigung im Wagenkasten erreicht wird. Dann wird damit eine Einschränkung des Pufferversatzes erzielt. Des Weiteren lässt sich eine Reduktion der Maximalwerte der Führungskraft zwischen Rad und Schiene und/oder eine bessere Verteilung dieser Kräfte zwischen dem einem Radsatz gegenüber demjenigen eines vorlaufenden Drehgestells erzielen. Diese Vorteile einzeln oder im Verbund zueinander kommen insbesondere dann zum Tragen, wenn es sich um einen Zug-Stoss-Betrieb unter bestimmten Bedingungen, beispielsweise innerhalb einer Weichenstrasse, handelt.

Darüber hinaus kann der Mechanismus auf Grund seines Aufbaues ohne Steuerung auskommen, da die passive Wirkung durch Ausdrehbewegung des Drehgestells, allgemein des Fahrwerks, ausgelöst wird, womit die Kraftübertragung auf ein Minimum in der betreffenden Situation reduziert wird. Der Aufbau des Mecha- nismus lässt aber zu, dass komplementäre, redundante oder gezielte durch eine Steuerung alimentierte Funktionen auch nachträglich und bei Bedarf eingebaut werden könnten. Damit lässt sich die Querspielbegrenzungsvorrichtung nach einem sogenannten Hybridbetrieb steuern.

Weitere vorteilhafte Ausführungsvariante gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.

Kurze Erläuterung der Figuren

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Alle für das unmittelbare Verständnis der Erfindung nicht notwendigen Elemente sind weggelassen worden. Gleiche Elemente sind in den verschiedenen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigen:

Fig. 1 einen Mechanismus zur passiven Querspielbegrenzung gemäss einem Ausführungsbeispiel in neutraler Lage (eine Drehgestellsei- te); den Mechanismus zur passiven Querspielbegrenzung aus Fig. 1 in ausgelenkter Lage auf der inneren (bzgl. Gleiskrümmung) Fahrzeugseite; Fig. 3 den Mechanismus zur passiven Querspielbegrenzung aus Fig. 1 in ausgelenkter Lage auf der äusseren (bzgl. Gleiskrümmung) Fahrzeugseite;

Fig. 4 ein Drehgestell (schematisch) mit der Vorrichtung bestehend aus zwei gleichartigen Mechanismen zur passiven Querspielbegrenzung gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung (Stellung im geraden Gleis);

Fig. 5 ein Drehgestell gemäss Fig. 4 in einer im Bogen eingenommenen

Stellung; und

Fig. 6 Ein Fahrzeug (schematisch) mit zwei jeweils mit erfindungsge- mässen Vorrichtungen zur passiven Querspielbegrenzung ausgestatteten Drehgestellen.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Fig. 1 zeigt in einem Schienenfahrzeug 10 den Mechanismus zur Querspielbe- grenzung, d.h. eine Querspielbegrenzungsvorrichtung 16 gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zwischen dem Wagenkasten 1 1 und dem Drehgestell 12 in einer neutralen Lage, d.h. wenn sich das Fahrzeug im geraden Gleis befindet. Der Mechanismus besteht aus drei Elementen und dazu gehörenden Verbindungsteilen. Zentrale Bedeutung hat das Hebelelement 17 (hier als Dreieck dar- gestellt), welches an drei Stellen mit anderen Teilen gelenklich verbunden ist. Das Hebelelement 17 ist am Drehgestellrahmen 13 mit Hilfe eines vertikalen Bolzens 20d gelagert. An einer anderen Stelle (Bolzen 20 b) ist der Hebel mittels einer Stange 19 über Bolzen 20b und 20c mit einer Traverse 14 am Wagenkasten

1 1 verbunden. An der dritten Stelle ist eine Rolle 18 im Hebelelement 17, auch mit Hilfe eines Bolzens 20a, drehbar gelagert. Diese Rolle 18 ist für den Kontakt mit einer Kulisse 1 1 b unter bestimmten Bedingungen vorgesehen. Die Kulisse 1 1 b ist ein Bestandteil des Wagenkastens 1 1 .

Fig. 2 zeigt die Querspielbegrenzungsvorrichtung 16 aus Fig. 1 in einer ausgelenk- ten Lage, wenn sich das Drehgestell 12 während einer Bogenfahrt gegenüber dem Wagenkasten 1 1 um die Hochachse um den Ausdrehwinkel w ausdreht. Das ist die Seite des Fahrzeugs, wo der Radsatz 15 und der Drehgestelllängsträger bzw. Drehgestellrahmen 13 sich von der Seitenwand 1 1 a des Wagenkastens 1 1 entfernen.

Die Lage des Hebelelements 17 wird durch die Lage der Bolzen 20c und 20d bestimmt. Wenn die geometrischen Parameter des Mechanismus richtig ausgewählt werden, bewegt sich die Rolle 18 in Richtung Kulisse 1 1 b. Obwohl sich der Drehgestelllängsträger bzw. Drehgestellrahmen 13 von der Kulisse 1 1 b entfernt, schränkt die Rolle 18 das Querspiel s zwischen Wagenkasten 1 1 und Drehgestell

12 ein. In Fig. 2 wird dies als Kollision (Überlagerung der Rolle 18 und der Kulisse 1 1 b) gezeigt, was praktisch auch als erzwungene Querbewegung des Wagenkastens 1 1 gegenüber dem Drehgestellrahmen 13 interpretiert werden kann. Fig. 3 zeigt die Querspielbegrenzungsvorrichtung 16 in einer ausgelenkten Lage, aber auf der anderen Seite des Fahrzeugs als in Fig. 2. Hier nähert sich der Drehgestelllängsträger bzw. Drehgestellrahmen 13 der Kulisse 1 1 b. Die Rolle 18 entfernt sich jedoch von der Kulisse 1 1 b. Diese hat in dieser Situation keine Wirkung. Fig. 4 zeigt schematisch ein komplettes Drehgestell 12 unter dem Wagenkasten 1 1 mit zwei erfindungsgemässe Querspielbegrenzungsvorrichtungen 16a und 16b für die passive Querspielbegrenzung zwischen dem Drehgestell 12 und dem Wa- genkasten 1 1 , und zwar in neutraler Lage, d.h. wenn das Fahrzeug sich im geraden Gleis befindet.

Die Querspielbegrenzungsvorrichtungen 16a und 16b befinden sich über dem nä- her zu Fahrzeugmitte gelegenen Radsatz, kurz gesagt: über dem inneren Radsatz 15a. Während der Fahrt im geraden Gleis und in Bögen mit grösseren und mittleren Radien haben die Rollen keine Wirkung, da das Querspiel gross genug ist. Das ist ein wichtiger Vorteil, weil die Laufeigenschaften unter diesen Bedingungen durch die Vorrichtung nicht negativ beeinflusst werden.

Fig. 5 zeigt dasselbe Fahrzeugfragment, wie in Fig. 4 gezeigt, allerdings bei der Fahrt im Bogen mit kleinerem Radius, wie das zum Beispiel bei den Wei- chenstrassen der Fall ist. Ein grösserer Ausdrehwinkel des Drehgestells hat zur Folge, dass eine Rolle (in der Querspielbegrenzungsvorrichtung 16b) die zugehö- rige Kulisse kontaktiert.

Fig. 6 zeigt schematisch ein komplettes Fahrzeug mit zwei Drehgestellen 12a und 12b, die mit den erfindungsgemässen Querspielbegrenzungsvorrichtungen 16a-d ausgestattet sind. Die Rollen auf der bogeninneren Fahrzeugseite kontaktieren mit den zugehörigen Kulissen und schränken so den relativen Querweg Wagenkasten 1 1 - Drehgestell 12a,b ein. Damit kann auch der Pufferquerversatz eingeschränkt werden.

Dank dieser Lösung können folgende Effekte erreicht werden:

- Einschränkung des Pufferversatzes,

- Reduktion der Querbeschleunigung im Wagenkasten,

- Reduktion der Maximalwerte der Führungskraft zwischen Rad und Schiene und / bzw.

- bessere Verteilung dieser Kräfte zwischen die beiden Radsätze eines vor- laufenden Drehgestells, was insbesondere beim Zug-Stoss-Betrieb unter bestimmten Bedingungen (Weichenstrassen) notwendig sein kann. - Es wird keine Steuerung benötigt, die passive Wirkung wird durch Ausdrehbewegung des Fahrwerks verursacht, also vor allem in Weichenstrassen. Die Kraftübertragung wird somit auf ein Minimum der Situationen reduziert (wo sie wirklich benötigt wird).

Bezugszeichenliste

10 Schienenfahrzeug

1 1 Wagenkasten

1 1 a Seitenwand (Wagenkasten)

1 1 b Kulisse (Wagenkasten)

12,12a,b Drehgestell

13 Drehgestellrahmen

14 Traverse

15,15a,b Radsatz

16,16a-d Querspielbegrenzungsvorrichtung

17 Hebelelement

18 Rolle

19 Stange

20a-d Bolzen

s Querspiel

w Ausdrehwinkel