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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Federanordnung zur niveauregulierenden
Abstützung eines Wagenkastens auf einem Fahrwerk eines
Fahrzeugs, insbesondere eines Schienenfahrzeugs, mit einer Federeinrichtung
und einer Aktuatoreinrichtung. Die Federeinrichtung beansprucht
einen ersten Bauraum, während die Aktuatoreinrichtung einen zweiten
Bauraum beansprucht. Die Federeinrichtung und die Aktuatoreinrichtung
sind in einer Wirkrichtung in kinematisch serieller Anordnung miteinander verbunden,
wobei die Aktuatoreinrichtung dazu ausgebildet ist, eine Längenänderung
der Federeinrichtung in der Wirkrichtung durch eine Verschiebung
an einer Aktuatorkomponente in der Wirkrichtung zumindest teilweise
auszugleichen. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein
Fahrzeug mit einer solchen niveauregulierenden Federanordnung.
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Bei
Schienenfahrzeugen (aber auch bei anderen Fahrzeugen) ist der Wagenkasten
in der Regel gegenüber den Radeinheiten (beispielsweise
Einzelrädern, Radpaaren oder Radsätzen) über
eine oder mehrere Federstufen federnd gelagert. Je nach Beladung
des Schienenfahrzeugs kommt es über die Zeit zu einem unterschiedlich
starken Einfedern der Federn dieser Federstufen. Bei einem rein
passiven System bzw. ohne entsprechende Gegenmaßnahmen
führt dies beispielsweise dazu, dass die Passagiere beim
Halt an Bahnsteigen mit einem bestimmten baulich vorgegebenen Bahnsteigniveau
oberhalb der (das Referenzniveau definierenden) Schienenoberkanten
eine mehr oder weniger hohe Stufe beim Ein- bzw. Ausstieg überwinden
müssen. Speziell für Fahrgäste mit körperlichen
Einschränkungen kann sich der Ein- bzw. Ausstieg hierdurch
gegebenenfalls erheblich erschweren. Neben der variierenden Beladung
liegt eine weitere Ursache für eine solche unerwünschte
Stufe beim Ein- bzw. Ausstieg im Übrigen in der sich über
die Zeit ergebenden Abnutzung Räder der Radeinheiten.
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Um
diesem Problem entgegenzuwirken, werden bei bekannten Fahrzeugen
mit aktiven Systemen unterschiedliche Ansätze verfolgt.
Bei herkömmlichen Fahrzeugen mit einer Luftfedern umfassenden
Sekundärfederung kann beispielsweise einfach über
eine entsprechende Einstellung des Luftdrucks in den Luftfedern
das Niveau des Wagenkastens entsprechend reguliert werden. Derartige
Luftfedersysteme haben jedoch den Nachteil, dass sie wegen des begrenzten
Arbeitsdruckes (typischerweise auf einen maximalen Druck von etwa
7 bar) in der Regel einen vergleichsweise großen Bauraum
beanspruchen um die erforderlichen Stützkräfte
aufbringen zu können.
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Aus
der
DE 103 60 518
B4 ist weiterhin ein aktives Federsystem bekannt, bei dem
zwischen dem Wagenkasten und einem Drehgestellrahmen kinematisch
parallel zu einer passiven Feder (beispielsweise einer herkömmlichen
Schraubenfeder) der Sekundärfederung ein Aktuator einer
hydropneumatischen Aktuatoreinrichtung geschaltet ist. Dieser Aktuator
kann verwendet werden, um das Niveau des Wagenkastens aktiv einzustellen,
indem er (parallel zu der Stützkraft der passiven Feder)
eine entsprechende Stellkraft zwischen dem Wagenkasten und dem Drehgestellrahmen
ausübt.
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Mit
einem solchen aktiven System kann zwar die gewünschte Niveauregulierung
beim Halt an Bahnsteigen erzielt werden. Es besteht jedoch das Problem,
dass die Niveauregulierung über den Aktuator zum einen
während der Fahrt in der Regel abgeschaltet sein muss,
um die gewünschte Federwirkung zu erzielen (oder andernfalls
eine sehr aufwändige, hoch dynamische Regelung für
den Aktuator erforderlich wäre). Weiterhin kann eine Fehlfunktion des
Aktuators, beispielsweise eine Blockade, zu einer erheblichen Versteifung
der Sekundärfederung führen, die sowohl im Hinblick
auf die Entgleisungssicherheit als auch den Fahrkomfort höchst
unerwünscht ist.
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Aus
der
DE 102 36 245
A1 ist schließlich ein gattungsgemäßes
aktives Federsystem bekannt, bei dem zwischen dem Wagenkasten und
einem Drehgestellrahmen oberhalb und kinematisch seriell zu einer
passiven Feder (beispielsweise einer herkömmlichen Schraubenfeder)
der Sekundärfederung ein Aktuator einer Aktuatoreinrichtung
geschaltet ist. Der koaxial zu der Feder angeordnete Aktuator kann
verwendet werden, um das Niveau des Wagenkastens aktiv einzustellen,
indem er eine Längenänderung der Feder (wie sie
beispielsweise aus einer Änderung der Beladung des Fahrzeugs
resultiert) durch eine entsprechende eigene Längenänderung
(also eine Verschiebung an einer seiner Komponenten) ausgleicht.
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Mit
diesem aktiven System kann die gewünschte Niveauregulierung
beim Halt an Bahnsteigen ebenso wie während der Fahrt erzielt
werden. Es besteht jedoch das Problem, dass sich durch die kinematisch
serielle Anordnung von Feder und Aktuator eine insbesondere in Höhenrichtung
des Fahrzeugs groß bauende Gestaltung ergibt, die bei einem für
die Sekundärfederung (in der Regel in vergleichsweise engen
Grenzen) vorgegebenen Bauraum ohne einen Verlust im Hinblick auf
die Fahrsicherheitseigenschaften und die Komforteigenschaften (mithin also
mit einer ausreichend geringen Steifigkeit) nur mit erheblichem
Aufwand in das Fahrzeug zu integrieren ist.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Federanordnung
bzw. ein Fahrzeug der eingangs genannten Art zur Verfügung zu
stellen, welches die oben genannten Nachteile nicht oder zumindest
in geringerem Maße aufweist und insbesondere auf einfache
und zuverlässige Weise die Integration einer Niveauregulierung
in ein Fahrzeug ohne wesentliche Abstriche bei der Fahrsicherheit
und beim Reisekomfort für die Passagiere ermöglicht.
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Die
vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe ausgehend von
einer Federanordnung gemäß dem Oberbegriff des
Anspruchs 1 durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die technische Lehre zu Grunde, dass
man auf einfache und zuverlässige Weise die Integration
einer Niveauregulierung in ein Fahrzeug ohne wesentliche Abstriche bei
der Fahrsicherheit und beim Reisekomfort für die Passagiere
ermöglicht, wenn man die zueinander kinematisch seriell
angeordnete Federeinrichtung und Aktuatoreinrichtung so anordnet,
dass sich die von ihnen beanspruchten Bauräume zumindest
in ihrer Wirkrichtung in einem Überlappungsbereich überlappen.
Durch diese Überlappung kann in der Wirkrichtung (in der
Regel also der Fahrzeughöhenrichtung, in welcher der Wagenkasten
primär durch die Federanordnung abzustützen ist)
eine besonders kompakte Gestaltung erzielt werden, ohne dass (bei
vorgegebenem Bauraum) durch eine nennenswerte Kürzung der
Feder(n) der Federanordnung die Steifigkeit der Federanordnung in
erheblichem Umfang beeinflusst wird.
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Je
nach dem Grad der Überlappung ist es somit sogar möglich,
eine bekannte Federanordnung mit einer erfindungsgemäßen
Federanordnung auszurüsten bzw. nachzurüsten,
wobei zumindest nahezu unveränderte Federn verwendet werden
können und damit nahezu unveränderten Federeigenschaften
vorliegen.
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Gemäß einem
ersten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung daher eine Federanordnung
zur niveauregulierenden Abstützung eines Wagenkastens auf
einem Fahrwerk eines Fahrzeugs, insbesondere eines Schienenfahrzeugs,
mit einer Federeinrichtung und einer Aktuatoreinrichtung, wobei
die Federeinrichtung einen ersten Bauraum beansprucht, die Aktuatoreinrichtung
einen zweiten Bauraum beansprucht, die Federeinrichtung und die
Aktuatoreinrichtung in einer Wirkrichtung in kinematisch serieller Anordnung
miteinander verbunden sind und die Aktuatoreinrichtung dazu ausgebildet
ist, eine Längenänderung der Federeinrichtung
in der Wirkrichtung durch eine Verschiebung an einer Aktuatorkomponente
in der Wirkrichtung zumindest teilweise auszugleichen. Der erste
Bauraum und der zweite Bauraum überlappen einander in der
Wirkrichtung in einem Überlappungsbereich.
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Je
nach dem in dem jeweiligen Fahrzeug für die Federanordnung
verfügbaren Bauraum kann die Überlappung der Bauräume
unterschiedlich groß gewählt werden. Bei bevorzugten
Varianten der Erfindung weist der Überlappungsbereich in
der Wirkrichtung eine erste Abmessung auf, während die
Federeinrichtung in einem Nennbetriebszustand in der Wirkrichtung
eine zweite Abmessung aufweist, wobei die erste Abmessung dann wenigstens
20% der zweiten Abmessung beträgt. Hiermit lässt
sich bereits eine gute Platzersparnis für die Federanordnung
in der Wirkrichtung erzielen, sodass sich die Integration ins Fahrzeug
vereinfacht. Eine noch weiter gehende Vereinfachung der Integration
der Federanordnung ins Fahrzeug ergibt sich, wenn die erste Abmessung
wenigstens 40% der zweiten Abmessung, vorzugsweise wenigstens 60%
der zweiten Abmessung, beträgt. Hiermit lassen sich besonders
kompakte Gestaltungen realisieren.
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Es
sei an dieser Stelle angemerkt, dass der Nennbetriebszustand im
Sinne der vorliegenden Erfindung den Zustand des Fahrzeugs mit einer
Nennbeladung bzw. den Zustand der Federanordnung mit einer Nennbelastung
bezeichnet, für welche die Federanordnung nominell ausgelegt
ist.
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Die Überlappung
der Bauräume lässt sich auf mehreren Wegen realisieren.
So ist bei bestimmten Varianten der erfindungsgemäßen
Federanordnung vorgesehen, dass die Federeinrichtung wenigstens
eine Federeinheit umfasst und die Aktuatoreinrichtung wenigstens
eine Aktuatoreinheit umfasst, wobei die wenigstens eine Federeinheit
und die wenigstens eine Aktuatoreinheit zur Herstellung des Überlappungsbereichs
ineinander verschachtelt angeordnet sind. Die verschachtelte Anordnung
kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass eine Aktuatoreinheit
in einen ansprechend gestalteten Abschnitt einer Federeinheit eingesetzt
ist, sodass dieser Abschnitt der Federeinheit die Aktuatoreinheit
mit anderen Worten umgibt. Ebenfalls ist natürlich umgekehrt
möglich, dass ein Teil der Federeinheit in einem entsprechend
gestalteten Abschnitt der Aktuatoreinheit eingesetzt ist. Ebenso
kann für eine solche verschachtelte Anordnung natürlich
vorgesehen sein, dass mehrere Federeinheiten eine oder mehrere Aktuatoreinheiten
abschnittsweise umgeben (oder umgekehrt).
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Vorzugsweise
umfasst die Federeinrichtung wenigstens zwei Federeinheiten, während
die Aktuatoreinrichtung wenigstens eine Aktuatoreinheit umfasst.
Die Aktuatoreinheit ist dann zur Herstellung des Überlappungsbereichs
in einem Zwischenraum zwischen den wenigstens zwei Federeinheiten
angeordnet ist. Diese Gestaltung ist von besonderem Vorteil, da
sie sich in besonders einfacher Weise im Zusammenhang mit einer
Reihe herkömmlicher Fahrzeuge einsetzen lässt,
bei denen bereits mehrere benachbarte Federeinheiten (beispielsweise
zwei passive Federn je Fahrwerksseite für die Sekundärfederung)
verwendet werden. Hier ist es möglich, die vorliegende
Erfindung mit (gegenüber der bisherigen Gestaltung) nahezu
unveränderten Federeinheiten zu realisieren und lediglich
in dem Zwischenraum zwischen den beiden Federeinheiten die Aktuatoreinheit
anzuordnen.
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Die
Aktuatoreinheit kann dabei im Zwischenraum zwischen zwei oder mehr
Federeinheiten angeordnet sein. Wegen der besonders einfachen, vergleichsweise
klein bauenden Gestaltung werden jedoch bevorzugt Varianten mit
lediglich zwei Federeinheiten realisiert. Vorzugsweise ist die Aktuatoreinheit über
wenigstens eine Kopplungseinrichtung mit der Federeinrichtung verbunden,
wobei die die Kopplungseinrichtung ein Brückenelement umfasst.
Das Brückenelement ist an einem ersten Ende mit einer ersten
Federeinheit der Federeinrichtung verbunden, während es
an einem zweiten Ende mit einer zweiten Federeinheit der Federeinrichtung
verbunden ist. Das Brückenelement weist einen Mittenbereich
auf, der einen Zwischenraum zwischen der ersten Federeinheit und
der zweiten Federeinheit überspannt, wobei die Aktuatoreinheit
in dem Mittenbereich mit dem Brückenelement verbunden ist.
Hiermit kann eine besonders einfache Gestaltung realisiert werden.
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Die
Verbindung zwischen der Aktuatoreinheit und der Federeinrichtung
kann grundsätzlich auf beliebige geeignete Weise gestaltet
sein. Insbesondere kann eine im Wesentlichen starre Verbindung zwischen
der Aktuatoreinheit und der Federeinrichtung vorgesehen sein. Um übermäßige
Belastungen der Aktuatoreinheit, insbesondere der beweglichen Teile der
Aktuatoreinheit quer zu der Wirkrichtung, zu vermeiden ist im Bereich
der Aktuatoreinheit bevorzugt eine Entkopplung von Lasten in diesen
quer zur Wirkrichtung verlaufenen Lastrichtungen vorgesehen.
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Die
Entkopplung kann auf beliebige geeignete Weise erfolgen. Bei bevorzugten
Varianten der erfindungsgemäßen Federanordnung
ist beispielsweise vorgesehen, dass die Aktuatoreinheit über
wenigstens eine Kopplungseinrichtung mit der Federeinrichtung verbunden
ist, wobei die wenigstens eine Kopplungseinrichtung wenigstens eine Gelenkeinrichtung
umfasst, über welche die Aktuatoreinheit um wenigstens
eine Entkopplungsachse schwenkbar mit der Federeinrichtung verbunden
ist. Die wenigstens eine Entkopplungsachse verläuft in
diesem Fall in einer quer, insbesondere senkrecht, zur Wirkrichtung verlaufenden
Ebene, sodass die Entkopplung von Momenten um diese Entkopplungsachse
gewährleistet ist.
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Insbesondere
bei Schienenfahrzeugen mit vergleichsweise großen Abständen
zwischen den Fahrwerken können bei der Fahrt über
Kuppen oder durch Senken erhebliche Nickmomente (um eine parallel
zur Fahrzeugquerachse verlaufende Nickachse) auf die Sekundärfederung
wirken, sodass in diesen Fällen bevorzugt eine Entkopplung
von Momenten um einen Fahrzeugquerrichtung verlaufende Achse vorgesehen
ist. Es versteht sich jedoch, dass die Entkopplung auch um mehrere,
quer bzw. senkrecht zueinander verlaufende Achse vorgesehen sein
kann. Für diesen Fall kann die Gelenkeinrichtung beispielsweise
nach Art eines Kugelgelenks oder nach Art eines kardanischen Gelenks
gestaltet sein. Es kann sich bei der Gelenkeinrichtung aber auch
um wenigstens ein elastisches Element handeln, welches die Entkopplung
um die Entkopplungsachse zur Verfügung stellt. Beispielsweise
kann es sich um eine oder mehrere elastische Buchsen handeln, in
der bzw. denen die Aktuatoreinheit elastisch gelagert ist.
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Die
Federeinheiten und die Aktuatoreinheit können grundsätzlich
beliebige geeignete Weise zueinander angeordnet sein. Vorzugsweise
wird eine Anordnung gewählt, bei welcher die Längsachsen der
Federeinheiten und der Aktuatoreinheit im Wesentlichen koplanar
angeordnet sind, da dies ihm Hinblick auf eine ausgeglichene Verteilung
der Kräfte und Momente innerhalb der Federanordnung von Vorteil
ist. In diesem Fall erfolgt eine Entkopplung dann bevorzugt um eine
quer zu dieser Ebene verlaufende Achse. Bei bevorzugten Varianten
der Federanordnung definiert die erste Federeinheit eine erste Federachse,
während die zweite Federeinheit eine zweite Federachse
definiert sowie die erste Federachse und die zweite Federachse eine
Federachsenebene definieren. Die wenigstens eine Entkopplungsachse
der Kopplungseinrichtung quer, insbesondere senkrecht, zu der Federachsenebene
verläuft.
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Unabhängig
von der Anzahl und/oder Anordnung der Federeinheiten der Federeinrichtung
ist bei bevorzugten Varianten der erfindungsgemäßen
Federanordnung im Bereich der Aktuatoreinrichtung wenigstens ein
Entkopplungsbereich mit einer Entkopplungseinrichtung vorgesehen,
wobei die Entkopplungseinrichtung wenigstens eine Momentenentkopplung
um wenigstens eine quer zu der Wirkrichtung verlaufende Momentenachse
zur Verfügung stellt. Die Entkopplung kann im Bereich der
Anbindung der Aktuatoreinrichtung an der Federeinrichtung (also
im Kopplungsbereich zwischen der Federeinrichtung und der Aktuatoreinrichtung)
vorgesehen sein, wie dies bereits oben am Beispiel spezieller Gestaltungsvarianten
beschrieben wurde.
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Die
Entkopplung unerwünschter Kräfte und Momente kann
zusätzlich oder alternativ aber auch an anderer Stelle
(als im Kopplungsbereich zwischen der Federeinrichtung und der Aktuatoreinrichtung) erfolgen.
Bei bestimmten Varianten der erfindungsgemäßen
Federanordnung sind die Federeinrichtung und die Aktuatoreinrichtung
in einem Kopplungsbereich miteinander verbunden, wobei der Entkopplungsbereich
in einer Kraftflussrichtung von dem Kopplungsbereich beabstandet
angeordnet ist, um die Entkopplung (gegebenenfalls auch) an anderer Stelle
als dem Kopplungsbereich zur Verfügung zu stellen. Vorzugsweise
ist der Entkopplungsbereich entfernt von dem Kopplungsbereich angeordnet. Dies
kann an beliebiger Stelle im Bereich der Aktuatoreinrichtung geschehen.
Vorzugsweise ist der Entkopplungsbereich in einem dem Kopplungsbereich
in der Kraftflussrichtung abgewandten Endbereich der Aktuatoreinrichtung
angeordnet, da sich eine Entkopplung in einem solchen Anschlussbereich
zu benachbarten Komponenten vergleichsweise einfach realisieren
lässt.
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Die
jeweilige Entkopplungseinrichtung kann grundsätzlich durch
beliebige geeignete Einheiten realisiert sein. So können
ein oder mehrere einfache Dreh- bzw. Schwenkgelenke zum Einsatz
kommen. Auf besonders kompaktem Raum lässt sich eine Momentenentkopplung
realisieren, wenn die Entkopplungseinrichtung hierzu wenigstens
ein elastisches Element, insbesondere ein Gummielement, umfasst.
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Die
Federeinrichtung kann grundsätzlich ebenfalls durch beliebige
geeignete Elemente realisiert sein. So können beispielsweise
passive Luftfedern verwendet werden. Wegen der besonders einfachen
und robusten Gestaltung umfasst die Federeinrichtung vorzugsweise
wenigstens eine mechanische Federeinheit umfasst, wobei die Federeinheit
bevorzugt wenigstens ein Gummielement und/oder wenigstens eine Metallfeder
umfasst.
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Auch
die Aktuatoreinrichtung kann die grundsätzliche beliebige
geeignete Weise unter Verwendung beliebiger geeigneter Wirkprinzipien
(einzeln oder in beliebiger Kombination) realisiert sein. So können
beispielsweise elektromechanische Aktuatoren (z. B. herkömmliche
Spindelantriebe etc.) zum Einsatz kommen. Wegen der besonders robusten und
im Bereich des Aktuators kompakten Gestaltung umfasst die Aktuatoreinrichtung
bevorzugt wenigstens eine nach einem fluidischen Wirkprinzip arbeitende
Aktuatoreinheit umfasst, wobei die Aktuatoreinrichtung vorzugsweise
wenigstens eine hydraulische Aktuatoreinheit und/oder wenigstens
eine hydropneumatische Aktuatoreinheit umfasst.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Fahrzeug, insbesondere
ein Schienenfahrzeug, mit einem Wagenkasten, einem Fahrwerk und
einer erfindungsgemäßen Federanordnung, wobei
die Federanordnung zur niveauregulierenden Abstützung des
Wagenkastens auf dem Fahrwerk zwischen dem Wagenkasten und einer
Komponente des Fahrwerks, insbesondere einem Fahrwerksrahmen des
Fahrwerks, angeordnet ist. Zusätzlich oder alternativ kann die
erfindungsgemäße Federanordnung zwischen zwei
Komponenten des Fahrwerks angeordnet sein. Mithin ist es also sowohl
möglich, die erfindungsgemäße Federanordnung
im Bereich der Sekundärfederung als auch im Bereich der
Primärfederung des Fahrzeugs vorzusehen.
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Um
eine automatische Niveauregulierung zu realisieren, ist bevorzugt
eine mit der Aktuatoreinrichtung verbundene Steuereinrichtung sowie
eine mit der Steuereinrichtung verbundene Sensoreinrichtung vorgesehen,
wobei die Sensoreinrichtung zur Erfassung eines aktuellen Wertes
einer Erfassungsgröße ausgebildet ist, die für
ein Niveau des Wagenkastens in der Höhenrichtung über
einem Referenzniveau eines aktuell befahrenen Fahrwegs repräsentativ
ist. Die Steuereinrichtung ist dann zur niveauregulierenden Ansteuerung
der Aktuatoreinrichtung in Abhängigkeit von dem aktuellen
Wert der Erfassungsgröße ausgebildet.
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Bei
der Sensoreinrichtung kann es sich um eine beliebige geeignete Einrichtung
handeln, die nach einem beliebigen Wirkprinzip arbeitet. Insbesondere
können berührungslos arbeitende Sensoren vorgesehen
sein.
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Weitere
bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen
bzw. der nachstehenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele,
welche auf die beigefügten Zeichnungen Bezug nimmt. Es
zeigen:
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1 eine
schematische Seitenansicht einer bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Fahrzeugs mit einer bevorzugten
Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Federanordnung;
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2 eine
schematische perspektivische Ansicht der Federanordnung aus 1;
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3 eine
schematische Seitenansicht der Federanordnung aus 2;
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4 eine
schematische Schnittansicht einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Federanordnung;
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5 eine
schematische Schnittansicht einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Federanordnung.
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Erstes Ausführungsbeispiel
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Im
Folgenden wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 3 ein
erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Fahrzeugs in Form eines Schienenfahrzeugs 101 beschrieben.
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Das
Fahrzeug 101 umfasst einen Wagenkasten 102, der
im Bereich seiner beiden Enden jeweils auf einem Fahrwerk in Form
eines Drehgestells 103 abgestützt ist. Es versteht
sich jedoch, dass die vorliegende Erfindung auch in Verbindung mit
anderen Konfigurationen eingesetzt werden kann, bei denen der Wagenkasten
lediglich auf einem Fahrwerk abgestützt ist.
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Zum
einfacheren Verständnis der nachfolgenden Erläuterungen
ist in den Figuren ein (durch die Radaufstandsebene des Drehgestells 103 vorgegebenes)
Fahrzeug-Koordinatensystem x, y, z angegeben, in dem die x-Koordinate
die Längsrichtung des Schienenfahrzeugs 101, die
y-Koordinate die Querrichtung des Schienenfahrzeugs 101 und
die z-Koordinate die Höhenrichtung des Schienenfahrzeugs 101 bezeichnen.
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Das
Drehgestell 103, umfasst zwei Radeinheiten in Form von
Radsätzen 103.1, 103.2, auf denen sich
jeweils über eine Primärfederung 103.3 ein Drehgestellrahmen 103.4 abstützt.
Der Wagenkasten 102 ist wiederum über eine Sekundärfederung 103.5 auf
dem Drehgestellrahmen 103.4 abgestützt. Die Primärfederung 103.3 und
die Sekundärfederung 103.5 sind in 1 vereinfachend
als Schraubenfedern dargestellt. Es versteht sich jedoch, dass es
sich bei der Primärfederung 103.3 bzw. der Sekundärfederung 103.5 um
eine beliebige geeignete Federeinrichtung handeln kann, wie nachfolgend
im Zusammenhang mit der Sekundärfederung 103.5 noch
ausführlich dargelegt wird.
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Die 2 und 3 zeigen
eine perspektivische Ansicht bzw. eine Seitenansicht einer bevorzugten
Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Federanordnung 104, die eine Komponente der Sekundärfederung 103.5 bildet.
Die Federanordnung 104 bildet eine Hälfte der
Sekundärfederung 103.5, über welche der
Wagenkasten 102 auf dem Drehgestellrahmen 103.4 in
einer parallel zur Fahrzeughöhenrichtung (z-Richtung) verlaufenden
Wirkrichtung der Federanordnung 104 abgestützt
ist. Die Federanordnung 104 ist dabei in hinlänglich
bekannter Weise im Bereich einer der beiden Längsseiten
des Wagenkastens 102 angeordnet. Auf der anderen Längsseite des
Wagenkastens findet sich in Fahrzeugquerrichtung (y-Richtung) beabstandet
eine weitere Federanordnung 104, welche die andere Hälfte
der Sekundärfederung 103.5 bildet.
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Wie
den 2 und 3 zu entnehmen ist, umfasst
die Federanordnung 104 eine Federeinrichtung 105 mit
einer ersten Federeinheit 105.1 und einer zweiten Federeinheit 105.2,
die zueinander in Fahrzeuglängsrichtung (x-Richtung) beabstandet
angeordnet und mit ihrer Unterseite auf dem Drehgestellrahmen 103.4 befestigt
sind. Die Längsachsen 105.3 und 105.4 der
beiden Federeinheiten 105.1 bzw. 105.2 verlaufen
in der gezeigten Neutralstellung des Fahrzeugs 101 (im
geraden, ebenen Gleis stehend) jeweils im Wesentlichen parallel
zur Fahrzeughöhenrichtung.
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Die
Federeinheiten 105.1, 105.2 sind im vorliegenden
Beispiel in hinlänglich bekannter Weise als so genannte
Gummi-Metall-Federn gestaltet. Es versteht sich jedoch, dass bei
anderen Varianten der Erfindung auch beliebige andere Federeinheiten
verwendet werden können. So kann eine Federeinheit z. B.
aus einer oder mehreren Schraubenfedern aufgebaut sein. Ebenso können
aber gegebenenfalls auch passive Luftfedern verwendet werden. Weiterhin
versteht sich, dass natürlich auch beliebige Kombinationen
derartiger Federn Verwendung finden können.
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Die
beiden Federeinheiten 105.1 und 105.2 sind an
ihren wagenkastenseitigen Enden über ein Brückenelement 106 verbunden,
welches sich in Fahrzeuglängsrichtung erstreckt. Das Brückenelement 106 trägt
mittig im Zwischenraum zwischen den beiden Federeinheiten 105.1 und 105.2 eine
Aktuatoreinheit in Form eines Hydraulikzylinders 107.1,
der Bestandteil einer Aktuatoreinrichtung 107 der Federanordnung 104 ist.
Das freie Ende der Kolbenstange 107.2 des Hydraulikzylinders 107.1 ist
mit einer Konsole 107.3 verbunden, auf welcher der Wagenkasten 102 oder
eine hinlänglich bekannte Wiege sitzt, welche ihrerseits
den Wagenkasten abstützt.
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Folglich
sind bei der erfindungsgemäßen Gestaltung die
Federeinrichtung 105 und die Aktuatoreinrichtung 107 in
einem Kopplungsbereich über eine Kopplungseinrichtung in
Form des Brückenelements 106 verbunden, sodass
sie in kinematisch serieller Anordnung zwischen dem Drehgestellrahmen 103.4 (als
einer Komponente des Drehgestells 103) und dem Wagenkasten 102 wirken.
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Die
Längsachsen 105.3 und 105.4 der beiden
Federeinheiten 105.1 bzw. 105.2 und die Längsachse 107.4 des
Hydraulikzylinders 107.1 sind im Wesentlichen koplanar
angeordnet, sodass es in der gezeigten Neutralstellung des Fahrzeugs 101 zu
keiner Einleitung von Momenten in die Federanordnung 104 kommt.
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Die
Kolbenstange 107.3 des Hydraulikzylinders 107.1 kann
entlang der Längsachse 107.4 des Hydraulikzylinders 107.1 verfahren
werden, wodurch der Wagenkasten 102 in der Fahrzeughöhenrichtung (also
der primären Wirkrichtung die Federanordnung 104)
angehoben bzw. abgesenkt werden kann, um sein Höhenniveau
N (d. h. seinen Abstand in Fahrzeughöhenrichtung) über
dem durch die Schienenoberkanten SOK definierten Referenzniveau
auf einen Sollwert Nsoll einzustellen. Hiermit
kann beispielsweise unabhängig von der Beladung des Fahrzeugs stets
einen im Wesentlichen stufenfreier Zugang zu einem Bahnsteigniveau
oder aber auch (bei konstanter Beladung) zu unterschiedlichen Bahnsteigniveaus
realisiert werden.
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Dieses
niveauregulierende Anheben bzw. Absenken des Wagenkastens 102 erfolgt
gesteuert durch eine mit der Aktuatoreinrichtung 107 verbundene
Steuereinrichtung 108. Die Steuereinrichtung 108 erhält
zu diesem Zweck von mehreren Sensoreinrichtungen 108.1 die
aktuellen Werte einer Erfassungsgröße, die für
das aktuelle Höhenniveau N des Wagenkastens an dieser Stelle
repräsentativ sind. Hierbei kann es sich um beliebige Erfassungsgrößen handeln,
die mit ausreichender Genauigkeit einen Rückschluss auf
das aktuelle Höhenniveau N erlauben.
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Bei
den Sensoreinrichtungen handelt es sich im vorliegenden Beispiel
um berührungslos arbeitende Sensoren 108.1 (beispielsweise
Ultraschallsensoren), aus deren Messsignalen der Abstand zwischen dem
Wagenkasten 102 und dem Drehgestellrahmen 103.4 ermittelt
werden kann. Es versteht sich jedoch, dass bei anderen Varianten
der Erfindung auch andere Abstandsmesser, beispielsweise mechanische Abstandsmesser
oder dergleichen eingesetzt werden können.
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Die
Steuereinrichtung 108 steuert die Zufuhr von Hydrauliköl
zu den Hydraulikzylindern 107.1 in Abhängigkeit
von den Messsignalen der Sensoren 108.1, um ein bestimmtes
vorgebbares Höhenniveau Nsoll generell
oder bei bestimmten Betriebszuständen des Fahrzeugs 101 (z.
B. beim Halt an einem Bahnsteig oder dergleichen) einzustellen.
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Es
versteht sich, dass bei der Regulierung des Höhenniveaus
N auch noch andere Größen berücksichtigt
werden können. So kann beispielsweise die (anhand der Betriebsdauer abgeschätzte
oder gemessene) Abnutzung der Räder der Radsätze 103.1, 103.2 ebenso
berücksichtigt werden wie der aktuelle Zustand der Primärfederung.
Ebenso kann bei anderen Varianten der Erfindung natürlich
das Höhenniveaus N auch direkt gemessen werden.
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Die
kinematisch serielle Anordnung des Hydraulikzylinders 107.1 zu
den Federeinheiten 105.1, 105.2 hat dabei den
eingangs bereits erwähnten Vorteil, dass die Federungs-
und Dämpfungseigenschaften der Federeinheiten 105.1, 105.2 unabhängig
von dem Zustand des Hydraulikzylinders 107.1 sind. Insbesondere
führt eine Fehlfunktion (z. B. eine Blockade oder ein Ausfall)
des Hydraulikzylinders 107.1 nicht zu einer Änderung
dieser Eigenschaften, sodass die hierdurch maßgeblich beeinflussten
Eigenschaften des Fahrzeugs im Hinblick auf die Fahrsicherheit und
den Passagierkomfort (zumindest nahezu) unverändert bleiben.
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Weiterhin
können diese Eigenschaften der Federanordnung 104 (insbesondere
deren Steifigkeit in den drei Raumrichtungen, vor allen Dingen die Steifigkeiten
in Fahrzeughöhenrichtung und in Fahrzeugquerrichtung) durch
geeignete Wahl der Parameter der Federeinheiten 105.1, 105.2 in
einfacher Weise und unabhängig von der Gestaltung der Aktuatoreinrichtung 106 eingestellt
werden.
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Wie
den 2 und 3 zu entnehmen ist, sind die
Federeinrichtung 105 und die Aktuatoreinrichtung 106 so
angeordnet, dass sich die von ihnen beanspruchten Bauräume
in der Wirkrichtung der Federanordnung 104 (z-Richtung)
in einem Überlappungsbereich überlappen, der in
der Wirkrichtung eine erste Abmessung H1 aufweist. Durch diese Überlappung
der Bauräume (mithin also durch die verschachtelte Anordnung
der Federeinrichtung 105 und der Aktuatoreinrichtung 106)
wird trotz der kinematisch seriellen Anordnung des Hydraulikzylinders 107.1 zu
den Federeinheiten 105.1, 105.2 in der Wirkrichtung
eine besonders kompakte Gestaltung erzielt.
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Die
Federeinrichtung 105 weist in der Wirkrichtung im vorliegenden
Beispiel in einem in 3 dargestellten Nennbetriebszustand
(im geraden ebenen Gleis stehendes Fahrzeug 101 mit Nennbeladung)
eine zweite Abmessung H2 auf. Die erste Abmessung H1 beträgt
im vorliegenden Beispiel 78% der zweiten Abmessung H2, sodass eine
hohe Überlappung und damit eine äußerst
kompakte Anordnung realisiert sind.
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Wie
den 2 und 3 zu entnehmen ist, ist der
Hydraulikzylinder 107.1 in einem Entkopplungsbereich über
eine Entkopplungseinrichtung in Form eines Schwenkgelenks 106.1 an
dem Brückenelement 106 befestigt. Das Schwenkgelenk 106.1 definiert
eine Entkopplungsachse in Form einer Schwenkachse 106.2,
die im gezeigten Beispiel (im Nennbetriebszustand) senkrecht zur
der durch die beiden Federachsen 105.3, 105.4 definierten
Federachsenebene und damit parallel zur Fahrzeugquerrichtung (y-Richtung)
verläuft.
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Hierdurch
wird eine Entkopplung von Momenten um eine in Fahrzeugquerrichtung
verlaufende Achse realisiert, die wegen des vergleichsweise großen
Abstands zwischen den Drehgestellen 103 können
bei der Fahrt über Kuppen oder durch Senken von Vorteil
ist, weil hierbei ohne diese Entkopplung anderenfalls erhebliche
Nickmomente (um eine parallel zur Fahrzeugquerachse verlaufende
Nickachse) auf die Federanordnung 104 wirken würden, die
in Problemen hinsichtlich einer übermäßigen
Belastung der Kolbenstange 107.2 und ihrer Führung resultieren
könnten.
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Das
Schwenkgelenk 106.1 ist im vorliegenden Beispiel durch
zwei seitliche Wellenstummel an dem Gehäuse des Hydraulikzylinders 107.1 realisiert,
die schwenkbar in entsprechenden Lagerschalen in dem Brückenelement
sitzen. Es versteht sich jedoch, dass bei anderen Varianten der
Erfindung auch jede beliebige andere Gestaltung für ein
mechanisches Schwenkgelenk realisiert sein kann.
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Eine
weitere Entkopplung um eine zur Fahrzeuglängsrichtung parallele
Achse ist im vorliegenden Beispiel nicht vorgesehen, da die um diese
Achse auftretenden Momente deutlich geringer sind als die Nickmomente
und daher ohne weiteres von dem Hydraulikzylinder 107.1 aufgenommen
werden können. Es versteht sich jedoch, dass bei anderen
Varianten der Erfindung eine derartige weitere Entkopplung vorgesehen
sein kann. Beispielsweise kann eine kardanische Anbindung des Hydraulikzylinders an
dem Brückenelement vorgesehen sein.
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Zweites Ausführungsbeispiel
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Eine
weitere vorteilhafte Ausführung der erfindungsgemäßen
Federanordnung 204, die bei dem Fahrzeug 101 aus 1 anstelle
der Federanordnung 104 eingesetzt werden kann, ist in 4 dargestellt.
Die Federanordnung 204 entspricht dabei in ihrer grundsätzlichen
Gestaltung und Funktionsweise der Federanordnung 104 aus 2 und 3,
sodass hier lediglich auf die Unterschiede eingegangen werden soll.
Insbesondere sind identische Komponenten mit den identischen Bezugszeichen
versehen, während gleichartige Komponenten mit um den Wert 100 erhöhten
Bezugszeichen versehen sind. Sofern nachfolgend nichts Anderweitiges
ausgeführt wird, wird hinsichtlich der Merkmale, Funktionen
und Vorteile dieser Komponenten auf die obigen Ausführungen
im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel verwiesen.
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Der
Unterschied zur Ausführung aus 2 und 3 besteht
in der Gestaltung der Kopplungseinrichtung 206. Diese zwar
ebenfalls als Brückenelement 206 zwischen den
beiden Federn 105.1 und 105.2 realisiert. Im Gegensatz
zu der Federanordnung 104 ist bei der Federanordnung 204 die
Gelenkeinrichtung 206.1 über mehrere elastische
Elemente in Form von Gummielementen, nämlich einer elastischen
Buchse 206.3 und einer elastischen Auflage 206.4,
realisiert, über welche der Hydraulikzylinder 107.1 in
einer schalenförmigen Aufnahme 206.5 des Brückenelements 206 in
einem Kopplungsbereich elastisch befestigt ist. Diese elastische
Befestigung bewirkt je nach der Steifigkeit der Gummielemente eine
mehr oder weniger starke Entkopplung von Momenten sowohl um die
Fahrzeugquerachse als auch um die Fahrzeuglängsachse.
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Für
den Fall, dass diese Entkopplung nicht ausreicht, kann beispielsweise
im Bereich des Anschlusses des Hydraulikzylinders 107.1 an
den Wagenkasten (also in einem in Kraftflussrichtung von dem Kopplungsbereich
beabstandeten Bereich) eine weitere Entkopplungseinrichtung vorgesehen
sein, wie dies in 4 durch die gestrichelte Kontur 209 angedeutet
ist. Diese weitere Entkopplungseinrichtung 209 kann ebenfalls
eine Entkopplung um eine oder mehrere Entkopplungsachsen zur Verfügung stellen.
Insbesondere kann sie nach Art eines Kugelgelenks oder eines Kardangelenks
ausgebildet sein. In diesem Falle kann bei bestimmten Varianten
der Erfindung dann auch eine im Wesentlichen starre Verbindung zwischen
dem Brückenelement und dem Hydraulikzylinder gewählt
werden.
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Drittes Ausführungsbeispiel
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Eine
weitere vorteilhafte Ausführung der erfindungsgemäßen
Federanordnung 304, die bei dem Fahrzeug 101 aus 1 anstelle
der Federanordnung 104 eingesetzt werden kann, ist in 5 dargestellt.
Die Federanordnung 304 entspricht dabei in ihrer grundsätzlichen
Gestaltung und Funktionsweise der Federanordnung 104 aus 2 und 3 bzw. der
Federanordnung 204 aus 4, sodass
hier lediglich auf die Unterschiede eingegangen werden soll. Insbesondere
sind identische Komponenten mit den identischen Bezugszeichen versehen,
während gleichartige Komponenten mit um den Wert 100 bzw. 200 erhöhten
Bezugszeichen versehen sind. Sofern nachfolgend nichts Anderweitiges
ausgeführt wird, wird hinsichtlich der Merkmale, Funktionen
und Vorteile dieser Komponenten auf die obigen Ausführungen
im Zusammenhang mit dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel
verwiesen.
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Der
Unterschied zur Ausführung aus 4 besteht
in der Gestaltung der Federeinrichtung 305 sowie der Kopplungseinrichtung 306.
So umfasst die Federeinrichtung 305 lediglich eine einzige
Federeinheit in Form einer Gummi-Metall-Feder 305.1, in
deren Innenraum verschachtelt der Hydraulikzylinder 107.1 angeordnet
ist. Der Hydraulikzylinder 107.1 sitzt in einer schalenförmigen
Aufnahme 306.5 des Koppelelements 306, welches
mit den wagenkastenseitigen Ende der Feder 305.1 verbunden
ist.
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Wie
bei der Federanordnung 204 ist bei der Federanordnung 304 die
Gelenkeinrichtung 306.1 über mehrere elastische
Elemente in Form von Gummielementen, nämlich einer elastischen
Buchse 306.3 und einer elastischen Auflage 306.4,
realisiert, über welche der Hydraulikzylinder 107.1 in
der Aufnahme 306.5 des Koppelelements 306 elastisch
befestigt ist.
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Die
vorliegende Erfindung wurde vorstehend ausschließlich anhand
von Beispielen beschrieben, bei denen die (am einen Ende der Federanordnung liegende)
Federeinrichtung auf einer Komponente des Fahrwerks sitzt, während
die (am anderen Ende der Federanordnung liegende) Aktuatoreinrichtung mit
dem Wagenkasten verbunden ist. Es versteht sich jedoch, dass bei
anderen Varianten der Erfindung auch eine umgekehrte Anordnung vorgesehen sein
kann, bei welcher die Aktuatoreinrichtung auf einer Komponente des
Fahrwerks sitzt, während die Federeinrichtung mit dem Wagenkasten
verbunden ist.
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Die
vorliegende Erfindung wurde vorstehend ausschließlich anhand
von Beispielen für Schienenfahrzeuge beschrieben. Es versteht
sich weiterhin, dass die Erfindung auch in Verbindung mit beliebigen anderen
Fahrzeugen zum Einsatz kommen kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10360518
B4 [0004]
- - DE 10236245 A1 [0006]