Vorrichtung zum automatischen Ausgleich der Achsdrücke von Fahrgestellokomotiven mit Einzelachsantrieb Beim Entwurf neuzeitiger Lokomotiven mit Ein zelachsantrieb, bei denen das Gesamtgewicht der Lokomotive Adhäsionsgewicht ist, herrscht das Be streben vor, die erzielte Zugkraft möglichst gross zu gestalten, ohne dass es zum Rutschen einiger Trieb räder kommt, was einerseits die betreffenden Trieb motoren schädigen und anderseits ein starkes Absin ken der gesamten Zugkraft der Lokomotive bewirken würde. Da diese Zugkraft einerseits vom Adhäsions faktor und anderseits vom Achsdruck abhängt, d. h. von Faktoren, die sich im gegebenen Falle nicht be einflussen lassen, muss dafür gesorgt werden, dass die durch den Einfluss der Lokomotivzugkraft verur sachten dynamischen Änderungen der Achsdrücke minimal seien.
Das auf die Lösung dieser Aufgabe abzielende Bestreben, d. h. das Bestreben nach einer besseren Ausnützung der Adhäsion und damit nach einer höheren Zugkraft bei bestimmtem Adhäsionsgewicht der Lokomotive führte zu einer ganzen Reihe von Vorschlägen, nach denen die Achsdrücke dadurch ausgeglichen werden, dass zwischen den einzelnen Achsen, zwischen Fahrgestellen oder zwischen Fahr gestellen und Kasten von einer mechanischen oder Druckluftvorrichtung ausgehende Kräfte wirken, die die Wirkung der durch die Lokomotivzugkraft ent stehenden und Entlastung oder zusätzliche Belastung bestimmter Achsen bewirkenden dynamischen Au ssenkräfte kompensieren.
Nach einem andern Vor schlag wird die Ausnützung der Adhäsion dadurch erhöht, dass die Zugkraft der einzelnen Triebräder dem betreffenden Achsdruck angepasst wird, was jedoch zu ungleichmässiger Ausnützung der Motoren führt.
Das Wirkungsprinzip der bestehenden mechani schen Ausgleichsvorrichtungen und der dadurch er- zielten Entlastung der Achsen lässt sich veranschau lichen z. B. bei der Lokomotive nach Fig. 1 mit Fahrgestellen, die mit dem Kasten mittels der Kugel zapfen A und B verbunden sind. Die vom Eigen gewicht der Lokomotive herrührenden Kräfte werden nachstehend nicht erwogen, wobei vorausgesetzt wird, dass sich dieselben gleichmässig auf die einzelnen Achsen verteilen.
Wird der Einfluss der Trägheits- und passiven Widerstände vernachlässigt, so muss die von den Zug motoren am Umfang der Triebräder ausgeübte Kraft <I>4 V</I> gleich sein dem Zug am in der Höhe<I>h</I> über dem Schienenscheitel angebrachten Haken. Fliesst durch alle Motoren der gleiche Strom, so verteilt sich diese Zugkraft auf alle vier Achsen gleich. Die Triebräder jeder Achse entwickeln im Stosspunkt mit den Schie nen eine Zugkraft V, welche auf den Kastenrahmen durch die Kugelzapfen<I>A, B</I> übertragen wird, deren Wirkungsbereich in der Höhe p über dem Schienen scheitel liegt.
Diese Triebkräfte an jedem Fahrgestell üben ein Triebmoment<I>2 V - p</I> aus, das eine Entlastung der Vorder- und eine zusätzliche Belastung der Hin terachsen eines jeden Fahrgestelles in der Fahrtrich tung bewirkt, falls auf der Lokomotive keine Aus gleichsvorrichtung vorgesehen ist. Alle bekannten mechanischen Ausgleichsvorrichtungen streben die Erzielung gleicher Achsdrücke bei demselben Fahr gestell dadurch an, dass die von der Ausgleichsvor richtung ausgeübten Momente der Kräfte P die Mo mente der Triebkräfte V kompensieren.
Die Zugkraft 4 V am Haken wirkt sodann auf die Lokomotive als Ganzes mit dem Zugmoment<I>4 V</I> # <I>h,</I> das durch ein gleiches Reaktionsmoment der im Abstand g der Kugelzapfen<I>A</I> und<I>B</I> wirkenden Kräfte aufgefangen wird und eine Entlastung des vordern und eine zu sätzliche Entlastung des hintern Fahrgestelles be wirkt. Bei Verwendung mechanischer Ausgleichsvor richtungen wird daher die Hälfte der Gesamtzahl der Achsen gleichmässig ebenso entlastet wie die andere Hälfte derselben gleichmässig zusätzlich belastet wird.
Im Falle der Lokomotive nach Fig. 1 ist daher bei dieser Art des Ausgleiches der Achsdrücke bei Ver nachlässigung des Einflusses der Durchfederung der Fahrgestelle und des Kastenrahmens die Entlastung der Achsen des vordern Fahrgestelles und die Zusatzbelastung
EMI0002.0001
der Achsen des hintern Fahrgestelles
EMI0002.0003
Die für den vollkommenen Ausgleich erforder lichen dynamischen Änderungen der Achsdrücke und der Kraft der Ausgleichsvorrichtung sind variabel und von der Zugkraft abhängig. Trotzdem werden oft Druckluftausgleichsvorrichungen mit entweder kon stantem oder von Hand einstellbarem Luftdruck in den Ausgleichszylindern verwendet, wodurch ein be friedigender Ausgleich der Achsdrücke nur in einem verhältnismässig engen Bereich der Zugkräfte erzielt wird.
Für einen richtigen Ausgleich der Achsdrücke im Gesamtbereich der Zugkräfte müsste der Luft druck in den Ausgleichszylindern in Abhängigkeit von der Lokomotivzugkraft geregelt werden. Diese Anforderung lässt sich bei Lokomotiven mit elektro motorischem Einzelachsantrieb erfüllen, bei denen die Grösse der Zugkraft von der Grösse des Traktions stromes ist, am einfachsten so erfüllen, dass ein Aus gleichsventil vorgesehen wird, das in den Ausgleichs zylindern einen solchen Luftdruck zulässt, der einem bestimmten Traktionsstrom und damit auch einer bestimmten Zugkraft der Lokomotive entspricht.
Diese Ausgleichsvorrichtung, bei welcher der Luft druck in den Ausgleichszylindern automatisch in Ab hängigkeit von der Zugkraft geregelt wird, stellt die selbsttätige Druckluftausgleichsvorrichtung dar.
Alle bekannten selbsttätigen Ausgleichsvorrich tungen arbeiten nach dem vorstehend dargelegten Prinzip, d. h. sie trachten die Achsdrücke desselben Fahrgestelles auszugleichen, so dass nach Fig. 1 die Achsen des vordern Fahrgestelles um den gleichen Wert entlastet wie die Achsen des hintern Fahr gestelles belastet werden. Es ist belanglos, ob die Ausgleichskräfte zwischen den einzelnen Achsen, zwischen den Fahrgestellen oder zwischen den Fahr gestellen und dem Kasten nur durch eine mechanische Vorrichtung oder auch durch Druckluftzylinder über tragen werden.
Die Entlastung der Achsen, welche durch alle diese Ausgleichsvorrichtungen erreicht wird, nähert sich mehr oder weniger den Ergebnissen, welche durch eine automatische Druckluftausgleichs- vorrichtung erzielt wird, die mit den gleichen Aus gleichsmomenten 2 V - p auf alle Fahrgestelle ein wirkt. Das gleiche Ergebnis wird selbst dann erzielt, wenn die Wirkung der Kugelzapfen <I>A</I> und<I>B</I> auf die Höhe des Schienenscheitels verlegt wird, demnach für p = 0.
Für diesen Fall, der selbst in der Literatur unrichtig als mechanisches Optimum bezeichnet wird, sind alle Achsen desselben Fahrgestelles gleich be lastet, ohne irgendwelche Zusatzvorrichtung, da das Zugmoment des Fahrgestelles verschwindet, also 2 V - p = 0. Das auf die Lokomotive wirkende Ge samtmoment<I>4 V - h</I> bewirkt jedoch eine Entlastung des vordern und eine Belastung des hintern Fahrge stelles, so dass die erzielten Entlastungen die gleichen sind wie in den vorhergehenden Fällen.
Der gemeinsam allen vorstehend beschriebenen Ausgleichsvorrichtungen anhaftendes Hauptnachteil beruht darin, dass dieselben keine Optimalwerte des Achsdruckausgleiches gestatten, so dass trotz der be trächtlichen Kompliziertheit mancher Vorrichtungen die Entlastung der Achsen grösser ist, als dies bei Er zielung eines wirklichen Optimums der Fall wäre. Das Adhäsionsgewicht der Lokomotive wird nicht voll ausgenützt, so dass die Lokomotive nur eine sol che Zugkraft entwickeln kann, welche dem Achs druck der meistentlasteten Achse entspricht. Ent wickelt dann die Lokomotive eine grosse Zugkraft, z.
B. beim Ziehen eines schweren Zuges in Steigung, so arbeiten die entlasteten Achsen am Grenzwert der Adhäsion und rutschen leicht durch. Rutschen die Räder irgendeiner weniger belasteten Achse, so macht sich dies sehr ungünstig bemerkbar, einerseits indem die Gesamtzugkraft der Lokomotive stark ab sinkt, was den Transport hindert und verlangsamt, und anderseits, indem der Motor der durchrutschen den Achse eine weit höhere Drehzahl aufweist, als beim Normalbetrieb zulässig ist, so dass Beschädi gungsgefahr besteht.
Der starke Abfall der Loko- motivzugkraft wird dadurch bewirkt, dass die Zug motoren gewöhnlich in Gruppen hintereinander in einem gemeinsamen elektrischen Stromkreis gekop pelt sind, so dass der die Achse mit den durchrut schenden Rädern antreibende Motor die Leistung aller übrigen, mit ihm elektrisch seriengeschalteten Motoren übernimmt. Alle diese Motoren entwickeln dabei am Umfang der Triebräder praktisch über haupt keine Zugkraft.
Die angeführten Nachteile der bestehenden me chanischen Vorrichtungen für den Ausgleich der Achsdrücke bei Lokomotiven mit Einzelachsantrieb lassen sich in wesentlichem Masse vermeiden durch die vorliegende Erfindung, welche die Erzielung wirk lich optimaler, mechanisch erreichbarer Ausgleichs werte bei Achsdrücken unter kleinstmöglicher Ent lastung der Achsen ermöglicht. Durch die Verwen dung der Vorrichtung nach der vorliegenden Erfin dung wird die erreichbare Lokomotivzugkraft bei gleichem Adhäsionsgewicht und bei sonst gleicher konstruktiver Ausführung der Fahrgestelle und des Kastens erhöht. Die erzielte bessere Ausnützung der Adhäsion bedeutet praktisch eine bessere Ausnützung der ganzen Lokomotive, und somit eine erhöhte Transportleistung.
Ein optimaler Ausgleich und damit zusammen hängende kleinstmögliche Entlastung der Achsen lässt sich dadurch erzielen, dass das Gesamtzugkraft moment der Lokomotive auf einem möglichst grossen Abstand aufgefangen wird, indem nur die letzte Achse in der Fahrtrichtung belastet wird, wodurch die übrigen Achsen wenigstens annähernd gleichmä ssig entlastet werden. Diese Bedingung lässt sich mit Hilfe einer automatischen Druckausgleichsvorrich tung erfüllen, wobei die Anordnung und Anbringung der Druckzylinder den Hauptabmessungen und der Ausführung der Lokomotive entsprechen müssen. Beim Beispiel nach Fig. 1 wirkt auf das vordere Fahrgestell der in der angedeuteten Richtung fahren den Lokomotive eine Ausgleichskraft P1, die vom Druckzylinder 1 entwickelt wird, und auf das hintere Fahrgestell eine vom Druckzylinder 2 entwickelte Kraft P2.
Bei umgekehrter Fahrtrichtung arbeiten identisch die Druckzylinder 3 und 4. Diese Kräfte werden vom Kastenrahmen auf die Fahrgestellrah men übertragen und bewirken eine passende Ver schiebung des Angriffspunktes der Last des auf dem Fahrgestellrahmen ruhenden Kastens, derart, dass nach Fig. 1 die ersten drei Achsen in gleichem Masse ent lastet werden, demnach A Q1 = A Q2 = A Q3.
Das Moment<I>4 V</I> # <I>h</I> der Zugkraft von den Reaktions momenten der im Stoss der Räder mit den Schienen wirkenden und die Entlastung oder Belastung der einzelnen Achsen bewirkenden Kräfte aufgefangen werden muss, ergibt sich aus dieser Bedingung die Gleichung: 4V³h=AQ3ä+AQ2³g+AQ1(a+g) demnach die Entlastung der ersten drei Achsen:
EMI0003.0003
und die Belastung der vierten Achse:
EMI0003.0004
Durch Vergleich der erzielten Achsentlastungen mittels der vorliegenden Ausgleichsvorrichtung mit den durch die bisherigen Vorrichtungen erzielten Er gebnissen ist zu ersehen, dass sich die Entlastung im Verhältnis des Abstandes g der Kugelzapfen zum Ab stand a + g der zwei äussersten Lokomotivachsen verringert, demnach im Verhältnis
EMI0003.0006
Die Grössen der erforderlichen Ausgleichskräfte ergeben sich sodann aus der Bedingung des Gleich gewichtes der Momente der einzelnen Fahrgestelle.
So muss beim vordern Fahrgestell das Zugmoment 2 V # p durch ein gleiches Moment der Ausgleichs kraft Pl ³ m ausgeglichen werden; die erforderliche vertikale, auf das vordere Fahrgestell wirkende Aus gleichskraft beträgt demnach:
EMI0003.0009
Beim hintern Fahrgestell muss das Zugmoment <I>2 V</I> # <I>p</I> durch die Summe des Momentes P2 # <I>n</I> der Ausgleichskraft und der sich aus den die einzelnen Achsen entlastenden oder belastenden Kräften erge benden Momente
EMI0003.0013
kompensiert werden; daher gilt
EMI0003.0014
Daraus folgt die Grösse der auf das hintere Fahr gestell wirkenden Kraft:
-
EMI0003.0015
Da die auf die einzelnen Fahrgestelle wirkenden Ausgleichsmomente P1 ³ m, P2 ³ n beim Erreichen des optimalen Achsdruckausgleiches voneinander be deutend abweichen und ihr gegenseitiges Verhältnis nur durch die Abmessungen und die Ausführung der Lokomotive gegeben wird, muss diese Anforderung auch durch die Ausführung der Ausgleichszylinder erfüllt werden.
Sind die Zylinder 1, 2 vertikal ange ordnet, so dass die darin entwickelten Kräfte senk recht auf die Fahrgestelle (nach Fig. 1) einwirken, und wird in diese Zylinder Luft vom gleichen Druck eingelassen, der sich nur in Abhängigkeit von der Zugkraft ändert, so müssen die verschiedenen Quer- auch die verschiedenen Abstände schnitte m, n der Ausgleichszylinder 1, 2 von den betreffen den Kugelzapfen<I>A, B</I> derart gewählt werden, dass die Momente der Ausgleichskräfte P1, P2 bezüglich der betreffenden Kugelzapfen<I>A, B</I> den Anforderun gen eines optimalen Ausgleiches der Achsdrücke ent sprechen.
Das angeforderte Verhältnis der auf die einzelnen Fahrgestelle wirkenden Momente P1³ m:P2.n kann nach Fig. 2 auch dadurch erzielt werden, dass die in den Druckzylindern 5 entwickelten Kräfte auf die betreffenden Fahrgestelle z. B. vermittels Hebel übersetzungen 6 mit passendem Hebelarmverhältnis übertragen werden, die mittels Zapfen 7 in demselben Teil der Lokomotive befestigt sind wie der Zylin der 5.
Ein gleicher optimaler Ausgleich der Achsdrücke lässt sich z. B. bei der Lokomotive nach Fig. 1 mit Hilfe einer automatischen Druckluftausgleichsvar- richtung auch dadurch erzielen, dass in der angedeu teten Fahrtrichtung nur die vom Zylinder 1 ausge übte Ausgleichskraft P1 auf das vordere Fahrgestell wirkt, wobei auf das hintere Fahrgestell keine Aus gleichskraft einwirkt (P2 = 0).
Bei umgekehrter Fahrtrichtung arbeitet in gleicher Weise nur der Zy linder 3, so dass sich innere Ausgleichszylinder 2, 4 für beide Fahrtrichtungen erübrigen. Bei dieser Aus- Hauptabmessungen der Loko- gleichsart müssen motive der Bedingung entsprechen, dass eine kleinst mögliche Entlastung der Achsen ohne Krafteinwir- kung auf das hintere Fahrgestell erreicht wird.
Bei der Lokomotive nach Fig. 1, zum Beispiel, tritt dies ein, wenn die Gleichung gilt:
EMI0004.0001
was bedeutet, dass das Verhältnis der Hakenhöhe h zur Höhe p der Drehzapfen über dem Schienenschei tel gleich sein muss dem Verhältnis der Summe des Abstandes der Kugelzapfen und des Achsstandes zum doppelten Achsstand der Fahrgestelle.
Wird die angeführte, für die Lokomotive nach Fig. 1 geltende Bedingung nicht genau erfüllt, so wer den dennoch günstige, praktisch verwendbare Achs entlastungsverhälinsse erzielt. Ausschlaggebend ist die Entlastung der dritten Achse in der Fahrtrichtung, die sich bei der vorgeschlagenen Ausführung desto mehr der Entlastung der ersten und zweiten Achse annähert, je genauer die Abmessungen der Lokomo tive der angeführten Bedingung entsprechen.
Diese Entlastung ist günstiger als die mit den bisher bekannten Ausgleichseinrichtungen erreich bare, sofern nach Fig. 1 die Bedingung gilt:
EMI0004.0007
<B>UNTERANSPRÜCHE</B> was aus einem blossen Vergleich der bei derselben Lokomotive erzielten Entlastungen hervorgeht.
Die Erfindung ist nicht auf eine Vorrichtung zur Erzielung eines optimalen Ausgleiches der Achs drücke bei Lokomotiven von der Art nach Fig. 1 be schränkt, sondern eignet sich auch für Ausführungen mit einer andern Anzahl von Achsen und anderer Anordnung der Fahrgestelle und des Kastenrahmens-, z. B. auch für Lokomotiven, bei denen die statischen Achsdrücke nicht gleichmässig auf alle Achsen ver teilt sind. Fig. 3 veranschaulicht ein Beispiel einer solchen Lokomotive, wo die ungleichmässige Vertei lung der statischen Achsdrücke durch unsymme trische Anordnung der Achsen in den Fahrgestellen (Abstände b und c) erzielt ist.
Wird bei passenden Abmessungen der Lokomotive erzielt, dass manche der zur Erzielung eines optimalen Achsdruckausglei ches erforderliche Ausgleichskräfte konstant oder nur in geringfügigem Masse von der Grösse der Zugkraft der Lokomotive abhängig sind, so können in solchen Sonderfällen diese Kräfte durch die Wirkung von Federn 8, 9 einer bestimmten Charakteristik ersetzt werden.