Lenkungsanordnung an einer sechsachsigen Lokomotive mit drei Drehgestellen
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Lenkungsanordnung an einer sechsachsigen Lokomotive mit drei Drehgestellen, wobei die Verbindungsgerade der Mittelpunkte des ersten und dritten Drehgestelles auf der Lokomotivachse liegt.
Der Stand der Technik auf dem Gebiete der Fahrzeugtechnik ermöglicht es, Lasten gleichmässig auf mehrere Achsen eines Fahrzeuges zu verteilen und unter den dynamischen Wirkungen beim Anfahren und Bremsen die gleichmässige Verteilung der Achslasten beizubehalten. Die Fahrzeugrahmen können in den Drehgestellen durch gefederte Pendel in Querrichtung beweglich aufgehängt werden. Ferner ist es möglich, die Rückstellkräfte infolge der Querauslenkung dieser sogenannten Pendelwiegen durch besondere Anordnungen zu vermindern.
Mit dem gegenwärtigen Stand der Fahrzeugbautechnik ergab sich als meistens angewendete Bauart von sechsachsigen Lokomotiven eine Anordnung der Achsen in zwei Gruppen zu drei Achsen. Nimmt man an, dass jede Gruppe für die Beanspruchung des Oberbaues als besondere Streckenlast wirkt, so lässt sich diese Streckenlast folgendermassen als Vergleichsgrösse darstellen:
: P1, P2, P3 Verwendete Achsdrücke des drei achsigen Drehgestelles a12 = a21 = a Achsabstände im Drehgestell d Angenommene Wirkungszone vor erster und hinter dritter Achse für die
Hauptbeanspruchung des Oberbaues
P mittlere Streckenlast der Lastgruppe
P1+P3+P3
P = -- (to/m') d+2.a+d
Bei heute angewendeten Achslasten von P1 = P3 =20 to und Po=21 to, einem Achsabstand von 2,15 m und einer geschätzten Wirkungszone d von 20 cm ergibt sich das Belastungsmass der Achsgruppe zu
20+21+20 61 P = ---- = - = 13 to/m'
0,2+2.2,15+0,2 4,7
Die vorliegende Erfindung will ermöglichen,
dass einerseits durch die Anordnung von sechs Achsen in drei Drehgestellen der zulässige Achsdruck erhöht werden kann und dass anderseits die Führung der drei Drehgestelle in Geleisekurven durch Hebel und unter Ausnützung von Tangenteneigenschaften der Kreisbogen gegenseitig beeinilusst werden kann.
Dies wird erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass um die Mittelpunkte der äusseren Drehgestelle drehbar je ein in Richtung der Drehgestell-Längsachse gerichteter Hebel angeordnet ist, welcher bei Kurvenfahrt auf der Lokomotiv Querachse eine vom Kurvenradius der Geleiseachse abhängige Verschiebung gegenüber der Lokomotiv-Längsachse aufweist, derart, dass beim Befahren einer Kurve mit konstantem endlichem Radius der Abstand des Schnittpunktes zwischen Hebel und Querachse von der Lokomotiv-Längsachse und der Abstand des Drehpunktes des mittleren Drehgestelles von der Lokomotiv-Längsachse sich verhalten wie 2:1.
Für eine Abschätzung der möglichen Achsenlast kann das oben bestimmte Belastungsmass herangezogen werden.
Nimmt man an, dass alle sechs Achsen des Fahrzeuges voneinander den Abstand von z.B. 2,7 m besitzen und lässt die Länge der Wirkungszone vor der ersten und nach der letzten Achse unverändert, so würde sich folgender Vergleich ergeben: P* mögliche Achslast des Fahrzeuges bei einer Streckenlast von 13 to/m' und einem Abstand von a 2,70 m zweier hintereinanderstehender Achsen
6.P* = ([5.a]+2.d)p = ([5.2,70]+2.0,20).13 = 180 to
P* = 30 to
Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert.
In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 ein auf einen Geleisebogen mit konstanter Krümmung aufgesetztes Fahrzeug,
Fig. 2 das Grundprinzip der Lenkkonstruktion
Fig. 3 einen Zweiachsantrieb eines Drehgestelles in schematischer Darstellung und
Fig. 4 die Lenkungsanordnung des mittleren Drehgestelles in schematischer Darstellung.
Bei der Lenkungsanordnung wird davon ausgegangen, dass an einer sechsachsigen Lokomotive mit drei Drehgestellen die beiden äusseren Drehgestelle in der Längsachse 11, Fig. 1, der Lokomotive unverschieblich gelagert sind, während das mittlere Drehgestell sowohl drehbar als auch senkrecht zur Lokomotivachse verschieblich gelagert sei; ferner seien wie erwähnt im ersten und dritten Drehgestell mit Längsachse parallele Hebel angeordnet. Die Steuerungsfunktionen des ersten und dritten Drehgestelles erfordern Verdrehungskräfte um die vertikalen Drehgestell achsen, welche von den Schienen über die Radkränze auf die Drehgestelle und damit auf die Tangentenhebel übertragen werden. Diese Verdrehungskräfte besitzen für einen bestimmten Kurvenradius ein Minimum, respektive eine günstigste Verteilung, welche sich bei einer bestimmten Geschwindigkeit einstellt.
Diese Geschwindigkeit ist somit eine Funktion des Kurvenradius, wobei als Parameter die Massenverteilung zwischen Fahrzeugoberteil und Drehgestellen sowie die Geleiseüberhöhung vorhanden sind. Dies lässt sich als allgemeine mathematische Formel folgendermassen darstellen: V0 = Funktion (R, Sh, Am) wobei bedeuten: V0 Geschwindigkeit für optimalen Kurvenlauf
R Kurvenradius des Geleises dh Überhöhung der bogenäusseren Schiene
Am Parameter, welcher die Massenverteilung im
Fahrzeug berücksichtigt.
Durch die Möglichkeit einer solchen optimalen Fahrweise soll die Erfindung bei nicht wesentlich veränderter Beanspruchung der Radkränze gegenüber bekannten Anordnungen eine geringere Beanspruchung des Oberbaues in Geleisekurven verwirklichen. Wenn man von der gegenseitigen Abhängigkeit des Laufes der Drehgestelle ausgeht, lässt sich auch der Vergleich mit der oft angewendeten kurzen Kupplung der Drehgestelle anführen. In letzterer Ausführung werden die einzelnen Drehgestellrahmen in Zwischenpunkten durch Gelenke verbunden, wobei sich das Gewicht des Fahrzeuges weitgehend gleichmässig auf alle sechs Achsen verteilen lässt; hierbei kann jedoch die Anforderung nicht erfüllt werden, dass vom mittleren Drehgestell Zentripetalkräfte auf den Lokomotivrahmen ausgeübt werden.
Vorerst soll angenommen werden, dass das Fahrzeug, wie in Fig. 1 dargestellt, einen Geleisebogen mit konstanter Krümmung durchläuft. Unter dieser Voraussetzung lässt sich die in zweiter Linie genannte Anforderung durch folgende Differenzlenkung für das mittlere Drehgestell erfüllen:
In der Längsachse 16 und 17 jedes äusseren Drehgestelles wird ein Hebel angeordnet, welcher bis zur Mitte des Fahrzeuges reicht und dort senkrecht zu seiner Richtung ein Zahnsegment trägt (21 in Fig. 2). Jedem äusseren Drehgestell zugeordnet wird in der vertikalen Achse 14 des mittleren Drehgestelles ein Ritzel (23 in Fig. 2) angeordnet, welches auf der einen Seite in das Zahnsegment des entsprechenden Drehgestellhebels eingreift, während die am Ritzel diametral gegenüberliegende Seite auf einem weiteren Zahnsegment (22 in Fig. 2) läuft, welches fest mit dem Lokomotivrahmen verbunden ist.
Es ergibt sich daraus für die vertikale Drehachse 14 des mittleren Drehgestelles die zwangläufige Lage in der Mitte zwischen der Lokomotiv-Längsachse 11 und dem Schnittpunkt 19 der Tangenten in den Mittelpunkten 13 und 15 an den Bogen 18 der Geleiseachse.
Diese Lage entspricht für grosse Radien mit guter Genauigkeit dem Punkt über der Geleiseachse in der Mitte des Fahrzeuges, d. h. der wünschbaren Lage der Drehgestell Drehachse 14.
Besitzt die Geleisekurve an den beiden Enden des Fahrzeuges verschiedene Krümmungen, so können die Ritzel nicht mehr in der vertikalen Drehachse des mittleren Drehgestelles angeordnet werden, da die beiden Tangentenhebel auf der Querachse 12 des Fahrzeuges nicht mehr die gleiche Auslenkung besitzen. Unter dieser Voraussetzung lässt sich der Mittelpunkt 14 durch folgende Anordnung in der Nähe des genauen Bezugspunktes über der Geleisekurve führen:
Die beiden Ritzel werden nun vor und hinter der Drehachse des Drehgestelles angeordnet, wie mit den beiden Ziffern 47 in Fig. 4 dargestellt wurde. Die Drehachse 14 ist, wie mit Ziffer 44 in Fig. 4 dargestellt, mit Hilfe von Federung in der Mitte zwischen den beiden Ritzeldrehachsen geführt, während die beiden mit dem Lokomotivrahmen fest verbundenen Zahnsegmente in der oben beschriebenen Weise in die entsprechenden Ritzel eingreifen.
In der Fig. 3 ist eine mögliche Ausführung eines vertikalen Zweiachsantriebes dargestellt, bei welcher ein Motor mit schweren rotierenden Teilen mit der Achse 30 als Antriebsachse angeordnet ist. Für eine solche Antriebsart ergibt sich der Vorteil, dass Motor und Getriebe vom vorgesehenen Lenkungssystem wenig beeinträchtigt werden. Die vertikale Anordnung der Antriebswelle 30 ergibt schon im einfachen Fall der gleichförmigen Bewegung mit konstantem Drehmoment einen komplizierten Kräfteverlauf, da eine zweimalige rechtwinklige Drehmomentumlenkung erforderlich ist.
In der Fig. 3 ist mit der Bezugsziffer 31 ein Kegelgetriebe als Ganzes bezeichnet, während die Radtriebachsen mit 32 bezeichnet sind. Die Triebachsen 32 werden über Schraubengetriebe 33 mit Hilfe von Übertragungswellen 34 angetrieben, welche Wellen 34 über das Kegelgetriebe 31 mit der Getriebewelle 30 in Eingriffsverbindung stehen.
Zusammenfassend ist bei einer Lenkung des mittleren Drehgestelles einer sechsachsigen Lokomotive, deren drei zweiachsige Drehgestelle in gleichem oder ungefähr gleichem Abstand angeordnet sind, folgende geometrische Eigenschaft grundlegend:
In einer Kurve mit konstantem Radius wird die Fahrzeugachse 11 als Verbindungsgerade der Mittelpunkte 13 und 15 des ersten und dritten Drehgestelles angenommen. Die relative Stellung von Fahrzeugachse 11, Mittelpunkt 14 des mitt teren Drehgestelles und Schnittpunkt 19 der Tangenten 16 und 17 an den Kreisbogen in den Mittelpunkten der äusseren Drehgestelle lässt sich für grössere Bogenradien als konstantes Verhältnis von zwei Verschiebungen ermitteln.
t Abstand Fahrzeugachse-Tangentenschnittpunkt = konstant = 2 = ¯ = konstant = 2 s Abstand Fahrzeugachse-Drehgestellmittelpunkt
In den Mittelpunkten der äusseren Drehgestelle wird in Richtung der Drehgestell-Längsachse je ein Hebel 20 (Fig.
2) angeordnet, welcher in Fahrzeugmitte eine vom Kurvenradius abhängige Verschiebung gegenüber der Fahrzeuglängsachse hat. Jeder dieser Hebel ist in der Fahrzeugmitte mit einem leicht gekrümmten Zahnsegment 21 versehen, welches im Schnittpunkt mit der Achse des Hebels senkrecht zu dieser steht. Jedem dieser Hebel 20 ist ein weiteres Zahnsegment 22 mit der gleichen Verzahnung zugeordnet, welches fest mit dem Lokomotivrahmen verbunden ist und im Schnittpunkt mit der Längsachse der Lokomotive senkrecht zu dieser steht. Die beiden Zahnsegmente 21 und 22 sind derart konstruiert, dass zwischen diesen, ebenfalls je einem äusseren Drehgestell zugeordnet, ein Zahnrad 23 läuft, dessen Mittelpunkt den Abschnitt seiner Wegkurve zwischen deren Schnittpunkten mit der Fahrzeugachse und mit der Achse des Tangentenhebels halbiert.
Die vorstehend umschriebene Konstruktion ermöglicht mithin eine seitliche Verschiebung des mittleren Drehgestelles der Lokomotive in bezug auf den Lokomotivrahmen. In Ab änderung dieser Konstruktion könnte vom ersten zum dritten Drehgestell ein veränderlicher Bogenradius vorgesehen sein.
Dabei ist je ein Zahnrad vorgesehen, das einem äusseren Drehgestell der sechsachsigen Lokomotive zugeordnet ist und zur Lenkung des mittleren Drehgestelles dient. Hierbei würde die Führung der Drehachse des mittleren Drehgestelles zwangläufig oder gefedert durch die Achsen der beiden Zahnräder erfolgen.
In der Fig. 4 ist eine Lenkeinrichtung für das mittlere Drehgestell dargestellt. Es wird unterschieden zwischen einem Tragsystem und einem Verschiebungssystem. Das Tragsystem ermöglicht einerseits die Übertragung der Last des Fahrzeugrahmens 40 auf je einen Querträger unter den Drehgestellen, wovon derjenige unter dem mittleren Drehgestell seitlich verschieblich gelagert ist, während für die äusseren Drehgestelle eine nur drehbare Lagerung vorgesehen sein muss. Die so belasteten Drehgestellrahmen 43 übertragen die Last mit Hilfe einer normalerweise verwendeten Federung auf die Achsen. Da das mittlere Drehgestell seitlich beweglich mit dem Lokomotivrahmen 40 verbunden ist, befindet sich in engen Kurven der bogenäussere Längsträger 48 des Drehgestellrahmens unter dem Längsträger 49 des Fahrzeugrahmens.
Entsprechend der Funktion des mittleren Drehgestelles hat die Auflagerung an dieser Stelle folgende Eigenschaften: 1. Querträger des Fahrzeugrahmens (dieser Querträger ist in Fig. 4 nicht eingezeichnet) seitlich verschieblich im
Drehgestell gelagert; 2. Drehgestell wenig drehbar um vertikale Achse; 3. der unter dem Drehgestell durchgeführte Querträger des
Fahrzeugrahmens ist mit diesem auf eine Weise verbun den, welche die seitliche Beweglichkeit des Drehgestelles berücksichtigt.
In der Darstellung der Lenkeinrichtung in Fig. 4 sind am Lokomotivrahmen 40 Querstege 41 vorgesehen, die in ihrer Mitte ein gekrümmtes Zahnsegment 42 aufweisen. Unterhalb des Lokomotivrahmens 40 ist der Rahmen 43 des mittleren Drehgestelles angeordnet. Der Mittelpunkt 44 dieses Drehgestelles befindet sich dabei in der Mitte zwischen den beiden genannten Querstegen 41 des Lokomotivrahmens. An den beiden äusseren Drehgestellen sind Lenkbügel 45 schwenkbar gelagert, welche an ihrem Quersteg je ein Zahnsegment 46 aufweisen, welches entsprechend den Zahnsegmenten 42 ebenfalls eine leichte Krümmung aufweist. Die Verzahnungen der Zahnsegmente 42 und 46 stehen mit je einem Ritzel 47 in Eingriff, welches die gleiche Funktion übernimmt wie das Zahnrad 23 im Grundprinzip der Lenkkonstruktion.