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Bogie de chemin de fer Alan Richard Cripe
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L'invention est relative aux bogies de véhicules de chemins de fer pour trains articulés allégés de hautes performances.
Les paramètres de fonctionnement spécifiés pour les trains à voyageurs d'avant garde de faible poids envisagent des vitesses de fonctionnement normales presque deux fois plus élevées que celles de trains conventionnels. A ces vitesses élevées même les petites irrégularités et discontinuités de la voie ferrée sont amplifiées, diminuent considérablement le confort des voyageurs et soumettent 1 équipement à des contraintes importantes. Pour diminuer les effets nuisibles d'une marche à vitesse élevée, on a largement utilisé avec succès des dispositifs de support et de connexion flexibles pour éliminer dans la mesure du possible, toutes les voies de transmission directe de bruits et de vibrations entre la source de ces derniers et l'intérieur de la voiture afin d'épargner aux passagers ces inconvénients.
De telles mesures permettent en même temps une liberté de mouvement considérable aux diverses connexions dans les limites établies par le degré de flexibilité des dispositifs de support.
En outre, dans la plupart des bogies plusiers des éléments constitutifs du bogie sont conçus de façon à permettre leur mou- vement relatif indépendamment des autres éléments. Dans certaines constructions par exemple les éléments latéraux du châssis qui constituent les organes principaux de support de la charge supportés par des essieux rotatifs peuvent osciller dans un plan vertical indépendamment l'un de l'autre ainsi que du véhicule.
Par conséquent, chaque élément de châssis latéral peut prendre son propre angle d'attaque dans un plan vertical en fonction de l'angle assumé par le rail sur lequel il roule. Il en résulte que les effets d'une irrégularité d'un rail de la voie ferrée ne sont pas transmis à tout l'ensemble.
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En plus, les constructions des bogies doivent nécessairement permettre un mouvement de pivotement d'une partie du bogie dans un plan horizontal autour d'un axe vertical donné. La nécessité d'un tel mouvement de pivotement du bogie par rapport à l'ossature du véhicule est évidente, étant donné que le bogie s'inscrit dans ou sort toujours d'une courbe de la voie ferrée à une valeur qui diffère de celle du véhicule lui-même.
A des vitesses très élevées du train cependant, la stabilité du bogie constitue un problème majeur. Bien que la liberté de mouvement mentionnée ci-dessus soit avantageusement introduite dans un bogie, elle doit néanmoins être contrôlée d'une façon précise pour que la géométrie du mouvement reste confinée dans des plans fixes.
Le but de la présente invention est de procurer un bogie de chemin de fer de faible poids caractérisé par un degré élevé de liberté de mouvement entre ses divers éléments constitutifs, mais lequel confine la géométrie du mouvement dans des plans pré- déterminés afin d'assurer la stabilité du bogie pendant la marche à des vitesses élevées.
Une conception courante d'un train à voyageurs de faible poids comprend un système de suspension perfectionnée grâce au- quel les voitres s'inclinent dans les courbes d'une manière simi- laire à celle d'avions en vol. Ces trains utilisent à cet effet une version améliorée du système de suspension pendulaire à essieu unique à guidage radial qui est représenté et décrit dans le brevet américain no. 2.954.746. Dans ce système un essieu uniquematé entre les véhicules est utilisé pour fournir un support aux ex- trémités de deux caisses de véhicules attenantes et l'essieu est dirigé pour qu'il reste à tout moment perpendiculaire à la voie.
Par conséquent, les roues prennent toujours un angle d'attaque
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zéro par rapport au rail.
Une voiture motrice à dôme est prévue à chaque extrémité de @ ce train véritablement bidirectionnel, chaque voiture à dôme por- tant au moins une partie du dispositif de propulsion et d'énergie auxiliaire pour le train et étant en outre adaptée pour le trans- : port de passagers. Des bogies moteurs à deux essieux d'une con- ception perfectionnée sont utilisés à l'extrémité libre de chacune de ces voitures à dôme pour les supporter l'extrémité articulée étant pourvue du support pendulaire à essieu unique décrit ci- dessus. Grâce à ce support pendulaire prévu à l'extrémité articu- 16e de la voiture, cette extrémité peut s'incliner dans des courbes.
A cette tendance à l'inclinaison s'opposerait un bogie conven- tionnel étant donné que celui-ci est spécifiquement conçu pour résister à tout mouvement de roulis de la caisse de la voiture, C'est la raison pour laquelle il est nécessaire d'incorporer dans le bogie des moyens pour favoriser un roulis contrôlé de la caisse de la voiture autour de son axe longitudinal permettant d'obtenir l'inclinaison désirée dans les courbes et de rendre le bogie com- patible avec le système de suspension monté entre les extrémités de chacune des voitures. Ceci est particulièrement important pour un train de ce genre étant donné que les vyageurs seront trans- port(.,:) dans les unités automotrices ou locomotrices.
La présente invention procure donc un bogie de chemin de fer permettant un roulis contrôlé de la voiture dans laquelle il est mouté pour permettre à la voiture de s'incliner dans les courbes.
Le poids de la caisse de la voiture est reçu par l'interm6diaire de ressorts pneumatiques et de leurs organes de support, par une traverse danscuse (ou sommier) laquelle repose à son tour verticalement sur les longerons latéraux respectifs.. Une surface de contact notable est prévue entre la traverse danseuse et son
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longeron lui faisant face et on prévoit normalement entre ces deux derniers une surface de glissement étant donne que la traversa danseuse doit giisser sur le ongeron lorsque le train s'inscrit dans une courbe et une partie du bogie tourne au-dessous de lui.
Cependant, étant donné que les longerons latéraux peuvent exécuter un mouvement de rotation limité dans un plan vertical au-dessous de la traverse danseuse lorsque les roues négocient des irrégu- larités de la voie, leurs surfaces se faisant face prennent obli- gatoirement un certain angle d'attaque l'une par rapport à l'autre.
Dans d'autres constructions cette nécessité est dans une certaine mesure compensée par l'utilisation d'une glissière ou support de glissement souple positionné dans le longeron au-dessous d'une surface de support appropriée. Cependant, dans ces constructions, la force d'usure transmise à une extrémité de la surface de sup- port est plus importante que celle transmise à l'autre extrémité.
En outre, du fait que cette force est supportée par une surface de support plus faible, un facteur de frottement plus élevé est crée et s'oppose au glissement de la traverse danseuse à une ex- trémité du bogie. A des vitesses très élevées, ce transfert du poids en avant et en arrière qui a lieu à la surface de support à une extrémité du bogie peut provoquer le shimmy du bogie.
L'invention fournit en plus des moyens permettant le mouve- ment relatif entre la traverse danseuse et les longerons latéraux sans intervalle entre eux et sans provoquer une usure localisée dans les surfaces de support par un coulissement en avant et en arrière de la charge. Cela est réalisé grâce à l'utilisation d'un bloc de support emprisonné (ou crapaudine) dont la surface infé- rieure est aménagée de façon à pouvoir glisser sur le bord supé- rieur du longeron latéral et dont la surface supérieure comprend une cavité concave recevant un prolongement convexe associé de la partie inférieure de la traverse danseuse.
Par conséquent, ,
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bien que le bloc de support puisse tourner dans un plan vertical avec le longeron latéral à l'endroit des surfaces de contact courbes de la cavité et du prolongement coopérant de la traverse danseuse, les surfaces de glissement sur le fond du bloc de support et du longeron latéral sont retenues en permanence dans le même plan. Dans cette construction la géométrie désirée du mouvement est donc obtenue mais contrôlée avec précision afin d'éliminer les vibrations entre les parties ainsi qu'une usure excessive.
Un autre but de la présente invention est de perfectionner la construction générale et d'améliorer les performances de bogies de chemin de fer allégés.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront à la lecture de la description qui va suivre de quelques modes de mise en oeuvre de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs et qui se réfère aux dessins annexés, dans lesquels:
La figure 1 est une vue en perspective d'un mode de mise en oeuvre préféré du bogie= la figure 2 est une vue en élévation du bogie; la figure 3 est une vue d'extrémité du bogie; la figure 4 est une vue fragmentaire éclatée du bloc de support et de son aménagement; la figure 5 est une vue éclatée d'un assemblage à cardan et à axe de pivotement formant un joint universel entre la traverse danseuse et l'unité longerons-essieux; la figure 6 est une vue de profil de la jambe de force reliant l'engrenage de réduction monté sur l'essieu à un longeron latéral au moyen d'un accouplement flexible;
la figure 7 est une vue de dessus fragmentaire de la jambe
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de force et de ses connexions au longeron latéral; la figure 8 est une vue quelque peu schématique d'un amortisseur du mouvement de lacet destiné à réduire les oscilla- tions de pivote:ment de haute fréquence du train roulant= la figure 9 est une vue schématisée d'un ensemble à amortisseur de roulis et à pistons de rappel disposé entre la traverse danseuse et les bras de support à ressort pour contôler la translation latérale; la figure 10 est une vue de profil de l'ensemble à piston de la figure 9; et la figure 11 est.une vue en perspective d'une variante de l'embiellage latéral constituant un support à trianles pour le ressort nemuatique.
Comme le montrent les figures 1, 2 et 3, le bogie est composé de deux: longerons latéraux longitudinaux 2 et 4 comprenant chacun un prolongement 6 respectivement 8 dirigé vers l'intérieur et s'étendant vers l'axe central vertical du bogie. Deux essieux à roues 10 et 12 sont montés dans des paliers prévus à chaque ex- trémité des longerons respectifs, le montage étant effectué pour empêcher pratiquement tout mouvement longitudinal ou transversal des longerons l'un par rapport à l'autre sauf dans des coussinets flexibles, comme il sera décrit par la suite Etant donné que les longerons constituent les éléments de support principaux du bogie, il est nécessaire qu'ils soient pratiquement rigides et pourvus d'une surface supérieure plate susceptible de supporter à coulissement le poids de la voiture.
Les essieux à roues constituent les liaisons fixes princi- pales entre les; longerons respectifs lesquels peuvent dans cer- taines limites tourner librement dans un plan vertical indépendam- ment l'un de l'autre. Cette capacité existe grâce à l'utilisation d'un support flexible, non représenté, des paliers des essieux
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et ce support comprend un coussinet flexible entourant un roule- ment à rouleaux pour permettre un flottement limité du roulement à l'intérieur de support. Cette conception est décrite dans la demande de brevet américain no. 516,298 et ne fait pas partie de la présente invention sauf en tant que mode de mise en oeuvre préféré du bogie.
Le coussinet flexible sert en outre à protéger la voiture contre les vibrations de/ahute fréquence engendrées par le passage des roues métalliques sur les rails aux vitesses éle- vées.
L'énergie est délivrée à chaque essieu individuel par l'intermédiaire de carters d'engrenages 14 et 16 montés sur les essieu.:;: et qui reçoivent, par l'intermédiaire d'arbres de trans- mission à cardan 18 et 20, l'énergie provenant d'une source si- tuée à l'extérieur de bogie.
Une traverse danseuse 22 sur laquelle le véhicule est sus- pendu est prévue près de l'axe central du bogie, les extrémités ce la traverse danseuse croisant les longerons respectifs. La traverse danseuse est connectée à pivotement à l'unité à longerons et à essieux laquelle unité peut assumer un angle d'attaque dans un plan horizontal indépendamment de l'angle assumé par le véhi- cule lui-même. Comme le montre le mieux la figure 5 les prolonge- ments 6 et 8 des longerons se terminent à cet effet en des sur- faces plates 30 et 32 se faisant face et qui se trouvent à une distance considérable de l'axe médian longitudinal du bogie.
Des cavités cylindriques 34 et 36 sont pratiquées dans les surfaces plates sur un axe commun et de telle façon que les ouvertures des cavités soient en regard, un balancier central 38 étant dis- posé entre les cavités. Le balancier 38 comprend des extrémités cylindriques 40 et 42 insérées à rotation avec peu de jeu dans les cavités respectives. Dans cette construction les plans de
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rotation des longerons sont toujours maintenus parallèles et leur rotation dans un plan vertical s'effectue autour d'un axe transversal unique commun aux doux longerons. Le balancier com- prend également une surépaisseur centrale 44 dans laquelle on a prévu une ouverture 45 susceptible de recevoir avec peu de jeu un axe de pivotement 46 connecté d'une manière appropriée à la traverse danseuse.
En position d'assemblage le joint universel est prisonnier entre les prolongements des longerons et empêche tout mouvement de rapprochement de ceux-ci. Par conséquent, les longerons respectifs 2 et 4 peuvent tourner autour des extrémités cylindriques du balancier indépendamment l'un de l'autre mais uniquement autour d'un axe transversal unique commun aux deux longerons. De même l'unité à longerons et à essieux comprenant le joint universel peut tourner dans un plan horizontal autour de l'axe de pivotement 46. Il est évident que des surfaces de support appropriées sont prévues de la manière habituelle entre toutes les surfaces relativement mobiles.
La traverse danseuse 22 comprend une ouverture verticale alignée avec l'ouverture du joint universel l'axe de pivotement 46 traversant ces deux ouvertures. Le freinage, l'accélération et d'autres charges longitudinales sont encaissés par cet ensemble pivotant qui ne reçoit par contre aucune charge verticale de la voiture, le poids de celle-ci étant directement transmis par l'intermédiaire de la traverse danseuse aux longerons, comme il sera décrit ci-après.
La traverse danseuse 22 est pourvue à chacune de ses extré- mités d'un prolongement convexe 50 dirigé vers le bas et situé dans le plan vertical des longerons. Bien que dans la figure 4 le prolongement soit rapporté sur la partie inférieure de la traverse danseuse au moyen de boulons, le prolongement peut
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également venir avec la traverse danseuse. Le prolongement 50 se loge dans une cavité concave correspondante 52 pratiquée dans un bloc de support (ou crapaudine) 54 emprisonné entre la traverse danseuse et la partie supérieure du longeron qui lui fait face.
Le bloc de support peut glisser sur le longeron lorsque le train roulant pivote au-dessous de la traverse danseuse et, à cet effet, on a prévu une surface de glissement 56 en la matiùre commerciale- ment connue sous le nom Téflon ou en une autre matière ayant des caractéristiques de frottement prédéterminées de préférence entre les surfaces se faisant face du bloc de support et du longeron sur lequel le bloc repose. Le prolongement convexe 50 a une di- mension verticale légèrement supérieure à celle de la cavité con- cave 52, le longeron et le bloc de support rapporté pouvant bas- culer dans un plan vertical par rapport à la traverse danseuse lorsque les roues se trouvant d'un côté du bogie négocie des irrégularités de la voie .
Dans d'autres constructions où la partie inférieure de la traverse danseuse repose directement sur le longeron, un inter- valle est prévu entre les surfaces de support lorsque les extré- mités des longerons oscillent verticalement, à moins que l'on n' ait prévu un remède à ces oscialbtions. Dans certaines construc- tions la surface de support du longeron est fixée sur un support glissant flexible encastré dans la surface supérieure du longeron.
Dans cette construction la surface inférieure du bloc de support est maintenue en permanence dans le même plan dans lequel se trouve la surface plate de la partie supérieure du longeron, ce qui supprime l'usure locale des surfaces de support respectives, le mouvement oscillatoire relatif ayant lieu à l'endroit des surfaces de contact semi-sphériques de l'intérieur de la cavité du bloc du support.
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Bien que le bloc de support ait été décrit avec référence à une forme d'exécution préférée, la cavité peut bien entendu être pratiquée dans la traverse danseuse et le prolongement peut être prévu sur le bloc de support pour permettre le mouvement oscillatoire décrit ci-dessus. De même, les surfaces d'oscilla- tion ne sont pas nécessairement semi-sphériques et ne se trouvent pas nécessairement entre la traverse danseuse et le bloc de sup- port. Dans une variante de cette construction le bloc de support peut glisser sur la traverse danseuse, le mouvement oscillatoire ayant lieu dan,s des surfaces courbes prévues entre la partie in- férieure du bloc de support et la partie supérieure du longeron.
Pour réduire le shimmy des bogies provoqué par le mouvement de chasse de haute fréquence de la partie pivotante du bogie à des vitesses très élevées, un amortisseur du mouvement de lacet est de préférence prévu dans le bogie. Un tel amortisseur du mouvement de lacet est représenté plus ou moins schématiquement sur la figure 8. Une plaque longitudinale pratiquement rigide 70 est prévue sur la traverse danseuse 22.
Une pluralité de vérins hydrauliques 71 et 72 transversalement orientés par rapport au bogie sont attachée par une extrémité à la plaque 70 au moyen d'une articulation pivotante commune 73 et par @@ aux longerons respectifs 2 et 4, les pistons hydrauliques mobiles 74 et 75 disposés à l'intérieur de chaque vérin exécutant un mou- vement latéral en réponse à des mouvements horizontaux de la traverse danseuse par rapport aux longerons. La communication entre les chambres formées à l'intérieur de chaque vérin par les pistons est réalisée au moyen de conduits 76 et 77 et d'orifices réglables 78. Les orifices varient en fonction de la vitesse grâce à un signal provenant de détecteurs de vitesse 80.
Lorsque la vitesse du véhicule augmente, la dimension des orifices est
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réduite opposant ainsi une plus grande résistance à l'écoulement de fluide à travers les conduits de connexion de sorte que la force de stabilisation entre la traverse danseuse et la paxtie pivotante du bogie est plus grande. Dans la pratique l'amortisse.- ment n'est pas nécessaire pour des vitesses inférieures à 100 km par heure et l'orifice sera par conséquent entièrement ouvert à ce niveau de vitesses.
Chacun des essieux est équipé d'un engrenage de réduction par l'intermédiaire duquel de l'énergie est transmise à l'essieu et aux roues de traction. L'énergie pour l'essieu avant 10 est délivrée par un arbre à cardan 18 qui pénètre dans la traverse danseuse 22 à travers une ouverture horizontale appropriée 79 pratiquas dans la traverse danseuse (voir figure 5). Etant donné que les carters d'engrenages ne sont pas supportés sauf par l'ar- bre rotatif, des moyens doivent être prévus pour transmettre les couples s'exerçant sur le carter d'engrenages lorsque de l'énergie est fournie pendant l'accélération. Comme le montrent le mieux les figures 6 et 7 une jambe ce force 80 est boulonnée à cet effet sur l'engrenage de réduction 14 à une extrémité, et sur le longe- ron 2 à l'autre extrémité.
Le montage de la jambe de force sur le longeron est flexible et réalisé de la manière conventionnelle par une pluralité de bagues en caoutchouc 82 entourant un disque 8@ fixé sur le longeron et emprisonné entre une rondelle métallique 86 fixée sur un boulon 80 et une rondelle métallique 90 bloquée ,par un écrou 92. De cette manière on empêche que le carter d'en- grenages ne tourne autour de son axe. Etant donné que les longe- rons oscillent de différentes façons et indépendamment l'un de l'autre, toutes les connexions de compensation du couple partant du carter d'engrenages doivent nécessairement être reliées à un seul longeron.
Le mécanisme de freinage porté par le bogie est avantageuse-
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ment relié aux longerons. Un frein à sabots magnétique 94 et des freins 96 et 98 attaquant les bandages des roues sont de; préférence utilisés de part et d'autre du bogie. La construction et le fonctionnement de ces éléments sont bien connus des spé- cialistes en la matière et ne seront donc pas décrits en détail.
Les ressorts élastiques par l'intermédiaire desquels la voiture repose sur la traverse danseuse sont de préférence aménagas de façon à permettre un mouvement de translation latérale limité et contrôlé de la caisse de la voiture par rapport au train roulant .Pour obtenir ce mouvement de translation et pour que les voitures s'inclinent dans les courbes, deux bras de support de ressort 100 et 102 dirigés vers l'intérieur et vers le haut sont montés sur la traverse danseuse dans des paliers de torsion élastique 104 et 106 disposés à chaque extrémité de la traverse danseuse.
Les paliers de torsion élastique sont attachés d'une façon appropriée aux extrémités de la traverse danseuse sur des tourillons de support dans le sens longitudinal, et les bras de support sont fixés sur ces tourillons de façon que leurs extrémités libres puissent exécuter un mouvement de translation dans un plan perpendiculaire à l'axe longitudinal de la voiture. Les paliers de torsion élastique obligent par l'action de bras de support, la voiture à prendre une position centrale normale. Cependant, lors de l'application de la force centrifuge à la partie inférieure du véhioule lorsque celui-ci s'inscrit dans une courbe ou d'une autre force quelconque ayant tendance à faire tourner le véhicule autour de son axe longitu- dinal, les extrémités libres des bras de support s'écartent vers l'extérieur par rapport à la courbe.
En faisant cela l'extrémité du bout libre du bras de support intérieur, 102 par exemple, se déplace vers le centre du bogie et vers le bas et entraîne avec lui le coté intérieur de la caisse du véhicule. L'extrémité libre
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du bras extérieur, par exemple 100, se redressera, provoquant ainsi la montée du côté extérieur du véhicule, Cette action coor- donnée des bras provoque l'inclinaison du véhicule. Lorsque le véhicule se trouve dans la position inclinée les paliers de tor- sion élastique respectifs seront soumis à une force de torsion qui remettra le véhicule dans sa position centrale dès la dis- parition de la force centrifuge.
Les charges longitudinales sont transmises à la caisse de la voiture par l'intermédiaire d'une paire de bielles téléscopiques 132 et 134 dont une extrémité est connectée à l'extrémité de la traverse danseuse d'où elles s'étendent en avant et en arrière.
Les bielles comprennent un joint de cardan et sont connectées par leurs extrémités libres à la caisse de la voiture. Bien qu'unique- ment une paire de bielles ait été représentée, on comprendra qu' une structure à bielles similaire est prévue de l'autre coté du bogie.
Le dispositif à bielles est essentiellement le même que celui décrit dans le brevet américain no. 2.935.031 et limite le mou- vement de la traverse danseuse par rapport à la voiture dans un plan vertical fixe perpendiculaire à l'axe longitudinal de la voiture. La caisse de la voiture de chemin de fer peut se déplacer librement dans une direction verticale par rapport à la traverse danseuse grâce à la compression et l'expansion du système à ressorts pneumatiques. La caisse peut se déplacer d' une façon similaire dans la direction transversale, comme décrit ci-dessus, lorsque la voiture s'incline, Malgré cette liberté de mouvement, la caisse ne peut cependant pas se déplacer longitudi- nalement par rapport à la traverse danseuse.
Dans certains aménagements on a incorporé dans le bogie des moyens pour amortir le mouvement de roulis de la voiture. En plus
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il peut être préférable de prévoir des moyens pour solliciter la voiture latéralement afin de compenser les forces variables qui ont tendance à provoquer le roulis de la caisse de la voiture, par exemple lorsque le train est exposé à un vent latéral violent.
Une telle construction de compensation et d'amortissement du roulis est représentée sur les figures 9 et 10.
De chaque coté du bogie on a prévu entre la traverse danseuse 22 et le bras de support de ressort 102 un piston d'amortissement 120 et un élément de compensation 122. Le piston d'amortissement lequel fonctionne d'une manière similaire à celle des vérins d' amortissement du lacet décrits ci-dessus ne permet le mouvement de translation latéral de la caisse de la voiture que lors de l'application d'une force latérale soutenue et supprime par con- séquent tout mouvement de roulis non désiré provoqué par des forces latérales momentanées principalement engendrées par les irrégularités de :La voie. Lorsqu'on rend l'orifice 124 du conduit 126 entre les chambres à piston variable en fonction de la vitesse, il est possible de maintenir un degré de roulis constant pour toutes les vitesses du train.
Dans une variante de cette disposi- tion le fonctionnement de l'amortisseur du roulis pourrait dépen- dre du choix de l'opérateur et le roulis pourra--'-- être évité pen- dant le passage du train dans des quartiers denses tels qu'entre des quais de gares rapprochés élevés.
Le fonctionnement de l'élément de compensation est facile à comprendre,'De l'air est délivré à partir d'une source 128 à la chambre formée au-dessous du piston mobile 1.30 à des pressions différentes dépendant du niveau de la force latérale à compenser.
L'élément de compensation peut être commandé de la cabine de l'unité motrice ou automatiquement et il peut éventuellement être utilisé, en complément au dispositif d'amortissement, pour suppri- mer le roulis non désiré de la caisse de la voiture dans une
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direction donnée.
Des pièces de connexion latérales 108 et 110 sont attachées à rotation à l'extrémité libre des bras de support de part et d'autre du bogie et elles sont également connectées à la caisse de la voiture. La surface supérieure de chaque connexion laté- rale fournit une plate-forme de support pour des ressorts pneu- matiques 112 et 114 qi supportent élastiquement la caisse 116 de la voiture dans des évidements pratiqués dans la caisse à des endroits transversalement espacés. Le but principal des connexions latérales est de retenir la base du ressort à air en alignement vertical relativement fixe avec l'extrémité supérieure du ressort pour empocher l'application de toutes charges de cisaillement au ressort lui-même.
Bien qu'une connexion latérale simple ait été illustrée dans le mode de mise en oeuvre préféré, la même fonction peut être assumée par d'autres moyens. Une variante du support sans cisaille.' ment pour le ressort pneumatique est représentée sur la figure 11.
Dans cette construction des bielles latérales 140 et 142 fixées au pied du ressort et des bielles similaires 144 et 146 fixées au sommet du ressort sont utilisées pour absorber les forces axiales et transversales s'exerçant sur elles et pour permettre le libre fonctionnement du ressort sur un axe vertical fixe. Les bielles individuelles s'étendent dans un plan généralement hori- zontal à partir d'un dispositif d'attache commun sur le ressort vers un dispositif d'attache espacé au moyen duquel leurs extré- mités libres sont attachées à la caisse de la voiture.
Le mouve- ment vertical requis pour le ressort est facilité grace à l'uti-. lisation de dispositifs de montage flexibles prévus d'une manière conventionnelle aux deux extrémités des bielles et le poids de la voiture est supporté par les bras supérieurs 148 et 150, le ressort et le bras de support 102 à ressort de torsion élastique,
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comme décrit ci-dessus.
Une pluralité de supports flexibles divises vers le haut 118 sont prévus dans l'espace entre la surface supérieure des connexions latérales et la caisse de la voiture pour fournir un support antagoniste pour la voiture dans le cas d'une défaillance du ressort à air. Ces supports ont une hauteur considérable et ont de préférence des élasticités différentes afin de procurer à la voiture divers degrés de support dépendant de son mouvement de descente.
Bien que la présente invention ait été principalement décrite pour un mode de mise en oeuvre particulier, des modifications peuvent être apportées aux dvers éléments du bogie sans qu'on sorte du cadre de l'invention.
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Alan Richard Cripe Railroad Bogie
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The invention relates to rail vehicle bogies for lightweight articulated trains of high performance.
The operating parameters specified for the avant-garde light-weight passenger trains envisage normal operating speeds almost twice as high as those of conventional trains. At these high speeds, even small irregularities and discontinuities in the railway line are amplified, considerably reduce passenger comfort and subject the equipment to significant stresses. To lessen the deleterious effects of high speed walking, flexible support and connection devices have been widely used with success to eliminate as far as possible all channels of direct transmission of noise and vibration between the source of these and the interior of the car in order to spare the passengers these inconveniences.
At the same time, such measures allow considerable freedom of movement to the various connections within the limits established by the degree of flexibility of the support devices.
In addition, in most bogies several of the constituent elements of the bogie are designed so as to allow their relative movement independently of the other elements. In certain constructions, for example, the lateral elements of the frame which constitute the main members for supporting the load supported by rotary axles can oscillate in a vertical plane independently of each other and of the vehicle.
Therefore, each side frame element can take its own angle of attack in a vertical plane depending on the angle assumed by the rail on which it rolls. As a result, the effects of an irregularity of one rail of the railway track are not transmitted to the whole assembly.
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In addition, the constructions of the bogies must necessarily allow a pivoting movement of a part of the bogie in a horizontal plane around a given vertical axis. The need for such a pivoting movement of the bogie relative to the vehicle frame is obvious, given that the bogie always enters or leaves a curve in the railroad at a value which differs from that of the vehicle itself.
At very high train speeds, however, the stability of the bogie is a major problem. Although the freedom of movement mentioned above is advantageously introduced into a bogie, it must nevertheless be controlled in a precise manner so that the geometry of the movement remains confined in fixed planes.
The object of the present invention is to provide a light weight railroad bogie characterized by a high degree of freedom of movement between its various constituent elements, but which confines the geometry of the movement in predetermined planes in order to ensure the stability of the bogie while traveling at high speeds.
A common design of a light-weight passenger train includes an improved suspension system whereby cars tilt in curves in a manner similar to that of airplanes in flight. These trains use for this purpose an improved version of the radially guided single axle pendulum suspension system which is shown and described in US Pat. 2,954,746. In this system a single axle between the vehicles is used to provide support to the ends of two adjoining vehicle bodies and the axle is steered so that it remains perpendicular to the track at all times.
Therefore, the wheels always take an angle of attack
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zero with respect to the rail.
A dome power car is provided at each end of this truly two-way train, each dome car carrying at least part of the propulsion and auxiliary power device for the train and further suitable for the transmission: passenger port. Two axle powered bogies of an improved design are used at the free end of each of these dome cars to support them with the articulated end being provided with the single axle pendulum support described above. Thanks to this pendulum support provided at the articulated end of the car, this end can tilt in curves.
This tendency to tilt would be opposed by a conventional bogie since it is specifically designed to resist any rolling movement of the car body. This is the reason why it is necessary to incorporate in the bogie means to promote a controlled roll of the car body around its longitudinal axis making it possible to obtain the desired inclination in curves and to make the bogie compatible with the suspension system mounted between the ends of each of the cars. This is particularly important for a train of this kind since the passengers will be transported (., :) in the self-propelled or locomotive units.
The present invention therefore provides a railroad bogie allowing controlled rolling of the car in which it is rolled to allow the car to tilt in curves.
The weight of the body of the car is received by the intermediary of air springs and their support members, by a cross member in the cage (or box spring) which in turn rests vertically on the respective side rails. A notable contact surface is provided between the dancer crosspiece and its
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spar facing it and a sliding surface is normally provided between the latter two, given that the dancer must slide on the ongeron when the train enters a curve and part of the bogie turns below it.
However, since the side rails can perform a limited rotational movement in a vertical plane below the dancer cross member when the wheels negotiate track irregularities, their facing surfaces must take a certain angle. attack in relation to each other.
In other constructions this need is to some extent compensated by the use of a slide or flexible sliding support positioned in the spar below a suitable support surface. However, in these constructions, the wear force transmitted to one end of the support surface is greater than that transmitted to the other end.
Further, because this force is supported by a smaller support surface, a higher friction factor is created and opposes slippage of the dancer cross member at one end of the bogie. At very high speeds this forward and backward weight transfer which takes place at the support surface at one end of the bogie can cause the bogie to shimmy.
The invention further provides means permitting relative movement between the dancer cross member and the side members without a gap between them and without causing localized wear in the support surfaces by sliding forward and backward of the load. This is achieved through the use of an imprisoned support block (or crapaudine) whose lower surface is arranged so as to be able to slide over the upper edge of the side spar and whose upper surface includes a concave cavity. receiving an associated convex extension of the lower part of the dancer crosspiece.
Therefore, ,
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although the support block can rotate in a vertical plane with the side spar at the location of the curved contact surfaces of the cavity and the cooperating extension of the dancer cross member, the sliding surfaces on the bottom of the support block and the side spar are permanently retained in the same plane. In this construction the desired geometry of the movement is therefore obtained but precisely controlled in order to eliminate vibrations between the parts as well as excessive wear.
Another object of the present invention is to improve the general construction and improve the performance of lightweight railroad bogies.
Other characteristics and advantages of the present invention will emerge on reading the following description of some embodiments of the invention given by way of non-limiting examples and which refers to the accompanying drawings, in which:
Figure 1 is a perspective view of a preferred embodiment of the bogie = Figure 2 is an elevational view of the bogie; FIG. 3 is an end view of the bogie; Figure 4 is an exploded fragmentary view of the support block and its arrangement; FIG. 5 is an exploded view of a gimbal and pivot pin assembly forming a universal joint between the dancer cross member and the beam-axle unit; Figure 6 is a side view of the strut connecting the reduction gear mounted on the axle to a side member by means of a flexible coupling;
Figure 7 is a fragmentary top view of the leg
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force and its connections to the side spar; Figure 8 is a somewhat schematic view of a yaw damper for reducing high frequency undercarriage swing oscillations = Figure 9 is a schematic view of a roll damper assembly and with return pistons disposed between the dancer cross member and the spring support arms to control the lateral translation; Figure 10 is a side view of the piston assembly of Figure 9; and FIG. 11 est.une perspective view of a variant of the lateral crankshaft constituting a tri-wheel support for the nemuatic spring.
As shown in Figures 1, 2 and 3, the bogie is composed of two: longitudinal side members 2 and 4 each comprising an extension 6 respectively 8 directed inward and extending towards the vertical central axis of the bogie. Two wheel axles 10 and 12 are mounted in bearings provided at each end of the respective side members, the mounting being effected to prevent substantially any longitudinal or transverse movement of the side members relative to each other except in flexible bearings. , as will be described hereinafter Since the side members constitute the main support elements of the bogie, it is necessary that they be practically rigid and provided with a flat upper surface capable of slidingly supporting the weight of the car.
The wheel axles are the main fixed links between the; Respective side members which can within certain limits rotate freely in a vertical plane independently of each other. This capacity exists thanks to the use of a flexible support, not shown, of the axle bearings.
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and this carrier comprises a flexible bushing surrounding a roller bearing to allow limited float of the bearing within the carrier. This design is described in US patent application no. 516,298 and does not form part of the present invention except as a preferred embodiment of the bogie.
The flexible pad also serves to protect the car against high frequency vibrations caused by the passage of metal wheels on the rails at high speeds.
The energy is delivered to each individual axle via gear housings 14 and 16 mounted on the axles.:;: And which receive, via cardan drive shafts 18 and 20, energy coming from a source outside the bogie.
A dancer cross member 22 on which the vehicle is suspended is provided near the central axis of the bogie, the ends of the dancer cross member crossing the respective side members. The dancer cross member is pivotally connected to the spar and axle unit which unit can assume an angle of attack in a horizontal plane independent of the angle assumed by the vehicle itself. As best shown in Figure 5 the extensions 6 and 8 of the side members terminate for this purpose in flat surfaces 30 and 32 facing each other and which lie at a considerable distance from the longitudinal center line of the bogie. .
Cylindrical cavities 34 and 36 are formed in the flat surfaces on a common axis and in such a way that the openings of the cavities face each other, a central rocker 38 being disposed between the cavities. The balance 38 comprises cylindrical ends 40 and 42 inserted in rotation with little play in the respective cavities. In this construction the plans of
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rotation of the side members are always kept parallel and their rotation in a vertical plane takes place around a single transverse axis common to the soft side members. The balance also comprises a central extra thickness 44 in which an opening 45 is provided capable of receiving with little play a pivot pin 46 connected in a suitable manner to the dancer cross member.
In the assembly position, the universal joint is trapped between the extensions of the side members and prevents any movement towards them. Consequently, the respective side members 2 and 4 can rotate around the cylindrical ends of the balance independently of one another but only about a single transverse axis common to the two side members. Likewise, the beam and axle unit comprising the universal joint can rotate in a horizontal plane about the pivot axis 46. It is evident that suitable support surfaces are provided in the usual way between all the relatively movable surfaces. .
The dancer cross member 22 includes a vertical opening aligned with the opening of the universal joint the pivot axis 46 passing through these two openings. Braking, acceleration and other longitudinal loads are absorbed by this pivoting assembly which, on the other hand, does not receive any vertical load from the car, the weight of the latter being directly transmitted via the cross member to the side members, as will be described below.
The dancer cross member 22 is provided at each of its ends with a convex extension 50 directed downwards and situated in the vertical plane of the side members. Although in figure 4 the extension is attached to the lower part of the dancer cross member by means of bolts, the extension can
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also come with the dancer crosspiece. The extension 50 is housed in a corresponding concave cavity 52 formed in a support block (or crapaudine) 54 trapped between the dancer cross member and the upper part of the spar which faces it.
The support block can slide on the side member as the undercarriage pivots below the dancer cross member and for this purpose a sliding surface 56 of the material commercially known as Teflon or another has been provided. material having predetermined friction characteristics preferably between the facing surfaces of the support block and the spar on which the block rests. The convex extension 50 has a vertical dimension slightly greater than that of the concave cavity 52, the side member and the attached support block being able to tilt in a vertical plane with respect to the dancer cross member when the wheels are in position. one side of the bogie negotiates irregularities in the track.
In other constructions where the lower part of the dancer cross member rests directly on the spar, a gap is provided between the support surfaces when the ends of the spars swing vertically, unless provided for. a remedy for these oscialbtions. In some constructions the spar support surface is secured to a flexible sliding support recessed into the top surface of the spar.
In this construction the lower surface of the support block is kept permanently in the same plane in which the flat surface of the upper part of the spar is located, which eliminates local wear of the respective support surfaces, the relative oscillatory movement having place at the location of the semi-spherical contact surfaces of the interior of the carrier block cavity.
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Although the support block has been described with reference to a preferred embodiment, the cavity can of course be made in the dancer crosspiece and the extension can be provided on the support block to allow the oscillatory movement described above. . Likewise, the oscillating surfaces are not necessarily semi-spherical and are not necessarily located between the dancer cross member and the support block. In a variant of this construction, the support block can slide on the dancer cross member, the oscillatory movement taking place in curved surfaces provided between the lower part of the support block and the upper part of the spar.
To reduce the shimmy of the bogies caused by the high frequency hunting movement of the pivoting part of the bogie at very high speeds, a yaw damper is preferably provided in the bogie. Such a damper for the yaw movement is shown more or less schematically in FIG. 8. A practically rigid longitudinal plate 70 is provided on the dancer cross member 22.
A plurality of hydraulic jacks 71 and 72 oriented transversely with respect to the bogie are attached at one end to the plate 70 by means of a common pivoting joint 73 and by @@ to the respective side members 2 and 4, the movable hydraulic pistons 74 and 75 arranged inside each jack performing a lateral movement in response to horizontal movements of the dancer cross member relative to the side members. Communication between the chambers formed inside each cylinder by the pistons is achieved by means of conduits 76 and 77 and adjustable orifices 78. The orifices vary according to the speed thanks to a signal coming from speed detectors 80 .
As the vehicle speed increases, the size of the holes is
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reduced thus opposing greater resistance to the flow of fluid through the connecting conduits so that the stabilizing force between the dancer cross member and the pivoting paxtie of the bogie is greater. In practice, damping is not necessary for speeds below 100 km per hour and the orifice will therefore be fully open at this speed level.
Each of the axles is equipped with a reduction gear through which energy is transmitted to the axle and the traction wheels. Energy for the front axle 10 is delivered by a cardan shaft 18 which enters the dancer cross member 22 through an appropriate horizontal opening 79 practiced in the dancer cross member (see Figure 5). Since the gear cases are not supported except by the rotating shaft, means must be provided to transmit the torques exerted on the gear case when energy is supplied during acceleration. . As best shown in Figures 6 and 7 a strut of this force 80 is bolted for this purpose to the reduction gear 14 at one end, and to the stringer 2 at the other end.
The mounting of the strut on the side member is flexible and carried out in the conventional manner by a plurality of rubber rings 82 surrounding a disc 8 @ fixed on the side member and trapped between a metal washer 86 fixed on a bolt 80 and a washer metal 90 blocked, by a nut 92. In this way, the gear housing is prevented from rotating around its axis. Since the spindles oscillate in different ways and independently of each other, all torque compensation connections from the gear case must necessarily be connected to a single spar.
The braking mechanism carried by the bogie is advantageous-
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ment connected to the side members. A magnetic shoe brake 94 and brakes 96 and 98 attacking the tires of the wheels are; preferably used on either side of the bogie. The construction and operation of these elements are well known to those skilled in the art and will therefore not be described in detail.
The elastic springs by means of which the car rests on the dancer cross member are preferably arranged in such a way as to allow a limited and controlled lateral translational movement of the body of the car with respect to the running gear. To obtain this translational movement and for the cars to tilt in curves, two inward and upward directed spring support arms 100 and 102 are mounted on the dancer cross member in elastic torsion bearings 104 and 106 arranged at each end of the cross dancer.
The elastic torsion bearings are suitably attached to the ends of the dancer crosshead on longitudinal support journals, and the support arms are fixed to these journals so that their free ends can perform a translational movement. in a plane perpendicular to the longitudinal axis of the car. The elastic torsion bearings force the car to assume a normal central position by the action of the support arm. However, when applying centrifugal force to the lower part of the vehicle when it enters a curve or any other force that tends to make the vehicle turn around its longitudinal axis, the free ends of the support arms diverge outward from the curve.
By doing this the end of the free end of the inner support arm, 102 for example, moves towards the center of the bogie and downwards and carries with it the inner side of the vehicle body. The free end
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of the outer arm, for example 100, will straighten out, thus causing the outer side of the vehicle to climb. This coordinated action of the arms causes the vehicle to tilt. When the vehicle is in the inclined position the respective elastic torsion bearings will be subjected to a torsional force which will return the vehicle to its central position as soon as the centrifugal force disappears.
The longitudinal loads are transmitted to the body of the car by means of a pair of telescopic connecting rods 132 and 134, one end of which is connected to the end of the dancer cross member from where they extend forward and backward. .
The connecting rods include a universal joint and are connected by their free ends to the body of the car. Although only one pair of connecting rods has been shown, it will be understood that a similar connecting rod structure is provided on the other side of the bogie.
The connecting rod device is essentially the same as that described in U.S. Patent No. 2,935,031 and restricts the movement of the cross beam relative to the car in a fixed vertical plane perpendicular to the longitudinal axis of the car. The body of the railroad car can move freely in a vertical direction with respect to the crosshead through the compression and expansion of the air spring system. The body can move in a similar way in the transverse direction, as described above, when the car tilts. Despite this freedom of movement, however, the body cannot move lengthwise with respect to the cross member. dancer.
In certain arrangements, means have been incorporated into the bogie for damping the rolling motion of the car. More
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it may be preferable to provide means for biasing the car laterally in order to compensate for the varying forces which tend to cause the body of the car to roll, for example when the train is exposed to a strong side wind.
Such a roll compensation and damping construction is shown in Figures 9 and 10.
On each side of the bogie there is provided between the dancer cross member 22 and the spring support arm 102 a damping piston 120 and a compensating element 122. The damping piston which operates in a manner similar to that of the jacks The yaw damper described above only allows lateral translational movement of the car body when a sustained lateral force is applied and therefore suppresses any unwanted roll motion caused by forces. momentary sideways mainly caused by irregularities in: The track. By making the orifice 124 of the conduit 126 between the piston chambers variable as a function of the speed, it is possible to maintain a constant degree of roll for all speeds of the train.
In a variant of this arrangement the operation of the roll damper could depend on the choice of the operator and the roll could be avoided during the passage of the train in dense neighborhoods such as 'between high close station platforms.
The operation of the compensating element is easy to understand. Air is supplied from a source 128 to the chamber formed below the movable piston 1.30 at different pressures depending on the level of the lateral force at. compensate for.
The compensating element can be controlled from the cab of the power unit or automatically and it can optionally be used, in addition to the damping device, to suppress unwanted body roll of the car in a
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given direction.
Side connection pieces 108 and 110 are rotatably attached to the free end of the support arms on either side of the bogie and they are also connected to the car body. The top surface of each side connection provides a support platform for air springs 112 and 114 which resiliently support the body 116 of the car in recesses in the body at transversely spaced locations. The primary purpose of the side connections is to hold the base of the air spring in relatively fixed vertical alignment with the top end of the spring to prevent the application of any shear loads to the spring itself.
Although a simple side connection has been illustrated in the preferred embodiment, the same function can be performed by other means. A variant of the support without shears. ' ment for the air spring is shown in figure 11.
In this construction side connecting rods 140 and 142 attached to the base of the spring and similar connecting rods 144 and 146 attached to the top of the spring are used to absorb the axial and transverse forces exerted on them and to allow free operation of the spring on a fixed vertical axis. The individual connecting rods extend in a generally horizontal plane from a common attachment device on the spring to a spaced attachment device by means of which their free ends are attached to the body of the car.
The vertical movement required for the spring is facilitated by the use. flexible mounting devices provided in a conventional manner at both ends of the connecting rods and the weight of the car is supported by the upper arms 148 and 150, the spring and the support arm 102 with elastic torsion spring,
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as described above.
A plurality of flexible upwardly divided supports 118 are provided in the space between the upper surface of the side connections and the body of the car to provide counter support for the car in the event of an air spring failure. These supports have a considerable height and preferably have different elasticities in order to provide the car with varying degrees of support depending on its downward movement.
Although the present invention has been mainly described for a particular embodiment, modifications can be made to the two elements of the bogie without departing from the scope of the invention.