DE10060408A1 - Radsatzlenker - Google Patents

Abstract

Ein Lenker aus Faser-Kunststoff-Verbund zur Führung eines Radsatzes in einem Fahrwerk eines Schienenfahrzeugs, insbesondere Hochgeschwindigkeits-Schienenfahrzeug, der zwei Endabschnitte (11, 11') zur momentenfesten Anbindung des Lenkers (1) einerseits am Radsatz und andererseits am Rahmen (2) des Fahrwerks und einen dazwischen angeordneten Mittelabschnitt (12) mit einer etwa in Fahrtrichtung (X) ausgerichteten Längsachse (13) und mit wenigstens teilweise in vertikaler Richtung (Z) flach ausgebildetem Querschnitt aufweist, bei dem der Lenker (1) mindestens ein integriertes Biegegelenk (14) mit vertikaler Biegeachse (15) aufweist, ist auf einfache Weise ohne ein zusätzuliches Gelenk-Bauteil ein rotatorischer Freiheitsgrad verwirklicht, der schädliche Biegebelastungen vom Radlager fernhält. Außerdem genießt der erfindungsgemäße Lenker alle Vorzüge von Glasfaser-Kunststoff-Verbund, wie etwa in engen Toleranzen reproduzierbare, nahezu temperaturunabhängige definiert einstellbare Steifigkeit, Verschleißfreiheit, elektrische Isolierung, hohe Werkstoffdämpfung und gutmütiges Versagensverhalten.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Lenker aus Faser-Kunststoff-Verbund zur Führung eines Radsatzes in einem Fahrwerk eines Schienenfahrzeugs gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Im Hochgeschwindigkeits-Schienenverkehr werden besonders hohe Anforderungen an die Fahrwerke von Schienenfahrzeugen gestellt. Die Bauteile der Radsatzführung von Hochgeschwindigkeitszügen unterliegen hohen Belastungen. Sie müssen täglich die sichere Fahrt des Schienenfahrzeugs über mehrere Jahre hinweg gewährleisten und sollen dabei verschleiß- und wartungsarm funktionieren. Entscheidend für Fahrsicherheit und Komfort ist dabei die Anlenkung der Radsätze an die Fahrwerksrahmen. Radsatzlenker in Schienenfahrzeug-Fahrwerken dienen dazu, die Radsätze sowohl in Fahrtrichtung als auch quer dazu am Fahrwerksrahmen anzulenken. Die Dynamik des Zuges erfordert dabei insbesondere eng tolerierte Lenkersteifigkeiten. Die Vertikalsteifigkeit eines Lenkers sollte sehr gering sein, um einen möglichst geringen Einfluß auf die Primärfederung zu haben. Sie ist also dementsprechend bezüglich ihrer Federrate abzustimmen. Eine vorrangige Anforderung ist die genaue, dauerhafte Einhaltung der erforderlichen, definierten Quersteifigkeit, damit die gewünschten dynamischen Eigenschaften des Zuges in engen Grenzen erhalten bleiben. Die Längssteifigkeit muß für hohe Fahrgeschwindigkeiten möglichst hoch sein. Für eine verschleißarme Fahrt ist dennoch eine gewisse Nachgiebigkeit in Längsrichtung wünschenswert, damit sich die Radsätze in Kurvenfahrt den unterschiedlichen Radien der beiden Gleisbögen besser anpassen können, was den Abrieb der Räder verringert. Zur Vermeidung von Stromschäden an den Radsatzwälzlagern ist es wünschenswert, daß die Lenker aus einem elektrisch nicht leitenden Werkstoff bestehen oder aber daß sie nicht leitend am Radsatz gelagert werden. Aus Komfortgründen sollten sie zudem eine hohe Dämpfung aufweisen, um die Weiterleitung von Körperschall aus dem Radsatz in das Fahrwerk und damit in den Wagenkasten soweit wie möglich zu unterbinden.

Aus der EP 0 363 573 A2 ist ein Radsatzlenker mit einem Faserverbundbauteil für das Drehgestell eines Schienenfahrzeuges bekannt, der zur Führung der Radsatzachsen blattfederartig ausgebildet ist. Zur Übertragung von Quermomenten ist der Lenker an Endabschnitten einerseits am Radsatzlagergehäuse und andererseits am Drehgestellrahmen form- und kraftschlüssig befestigt. Der sich entlang einer horizontalen Bauteil-Längsachse erstreckende Mittelabschnitt des Faserverbundbauteils weist einen konstanten, in Vertikalrichtung flach ausgebildeten Querschnitt nach Art einer Blattfeder auf. Das Faserverbundbauteil des Lenkers ist so vertikal biegeelastisch, jedoch hochgradig quer- und längssteif. Dieser bekannte Radsatzlenker weist keinen rotatorischen Freiheitsgrad zwischen Lenker und Lagergehäuse auf, wodurch das Radlagergehäuse mit unerwünschten Biegebelastungen, die insbesondere bei Hochgeschwindigkeits-Schienenfahrzeugen große Werte annehmen, beaufschlagt wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Lenker der eingangs genannten Art zu schaffen, der einen Drehfreiheitsgrad zwischen Lenker und Gehäuse des Radlagers aufweist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Lenker gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, bei dem der Lenker, vorzugsweise im Mittelabschnitt, mindestens ein integriertes Biegegelenk mit vertikaler Biegeachse aufweist. Je nach Anforderung können zwei oder mehrere voneinander beabstandete Biegegelenke mit vertikalen Biegeachsen vorgesehen sein, vorzugsweise weist der erfindungsgemäße Lenker nur ein einziges solches Biegegelenk auf. Dadurch wird ein rotatorischer Freiheitsgrad zwischen Lenker und Radlagergehäuse realisiert, ohne ein zusätzliches Gelenk in differenzieller Bauweise anbringen zu müssen. Das Biegegelenk kann - den Erfordernissen entsprechend - an über der Längserstreckung des Lenkers beliebiger Position angebracht sein. Durch die als einstückiges Faser-Kunststoff-Verbundteil vorgesehene Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Lenkers ist die Möglichkeit gegeben, über die Geometrie die Steifigkeiten des Radsatzlenkers gezielt einzustellen. Dadurch kann die Anbindung der Radsätze an den Fahrgestellrahmen mit definierter, in engen Toleranzen reproduzierbarer und nahezu temperaturunabhängiger Steifigkeit erfolgen. Dies wiederum erlaubt die Steigerung der Reisegeschwindigkeit bei hohem Sicherheitsstandard und geringem Radverschleiß. Der Lenker kann so ausgeführt werden, daß er für die Dauer der Betriebszeit des Schienenfahrzeugs als betriebsfest gelten kann und im Gegensatz zu Lenkern, deren rotatorischer Freiheitsgrad durch eine Gummibuchse realisiert ist, verschleißfrei und muß nicht kontinuierlich gewartet oder sogar in regelmäßigen Zeitabständen gewechselt werden. Durch die Verwendung von Glasfaser-Kunststoff-Verbund wird automatisch die wünschenswerte elektrische Isolation zur Vermeidung von Stromschäden an den Wälzlagern der Radsätze erreicht. Faser-Kunststoff-Verbund verfügt im Vergleich zu Stahl über eine wesentlich höhere Werkstoffdämpfung, wodurch der erfindungsgemäße Lenker eine Weiterleitung von Körperschall aus dem Radsatz in das Fahrwerk und damit in den Wagenkasten weitestgehend unterbindet und damit den Fahrkomfort erhöht.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist insbesondere der Mittelabschnitt des Lenkers wenigstens einen Teilabschnitt mit sich zum Biegegelenk hin verjüngendem Querschnitt auf. Dadurch wird der Effekt der Biegeweichheit in vertikaler Richtung verstärkt. Die Verjüngung des Querschnitts kann entlang der Längsachse des Lenkers entsprechend dem Biegemomentenverlauf durch zunehmende Verschmalerung der horizontalen Breite erfolgen. Zusätzlich oder alternativ kann auch die vertikale Dicke des Querschnitts in Richtung Biegegelenk zunehmend verringert werden.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das Biegegelenk zwischen zwei Teilabschnitten mit gegenläufig sich verjüngenden Querschnitten angeordnet. Bevorzugt ist in dieser Ausführungsform das Biegegelenk in der Mitte des Lenkers plaziert. In dieser Konfiguration wird der Lenker in vorteilhafter Weise symmetrisch verformt und zwar sowohl bei vertikaler Lastübertragung in S-Form als auch bei horizontaler Querlast in V-Form.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Biegegelenk als horizontale Einschnürung im Querschnitt des Lenkers ausgebildet. Durch die Einschnürung des Lenkerquerschnitts wird auf besonders einfache Weise ein Bereich größerer Biegeweichheit um eine vertikale Biegeachse und damit ein Biegegelenk mit vertikaler Biegeachse in den Lenker integriert.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Querschnitt des Lenkers im Bereich des Biegegelenkes wenigstens teilweise in horizontaler Querrichtung flach ausgebildet. Hierdurch kann dem horizontal eingeschnürten Querschnitt des Biegegelenks zusätzliche in vertikale Richtung ausgedehnte Querschnittsfläche wieder hinzugefügt werden, um die Knickgefahr im Bereich des Gelenks beim Übertragen von Längskräften zu vermindern.

Vorzugsweise ist als Werkstoff für den Lenker Glasfaser-Kunststoff-Verbund mit überwiegend unidirektional in Richtung der Lenker-Längsachse verlaufenden Fasern vorgesehen. Dieser Werkstoff, beispielsweise mit E-Glasfasern, eignet sich besonders gut, da er bei niedriger Steifigkeit eine sehr hohe Ermüdungsfestigkeit bietet. Über die Ausrichtung des Faserverlaufs wird den unterschiedlichen Anforderungen an die Steifigkeit in die verschiedenen Raumrichtungen Rechnung getragen.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Mittelabschnitt des Lenkers schubaufnehmende Schichten mit sich in einer horizontalen Ebene unter einem Winkel von ±5° bis ±60° zur Längsachse kreuzenden Fasern auf. In einem solchen Fall ist es günstig, das Biegegelenk in der Lenkermitte zu platzieren und mit soviel Querschnitt auszustatten, daß Stabilitätsversagen durch Knicken ausgeschlossen ist. Hierdurch kann der Lenker auch hohe, in Längsrichtung wirkende Druckkräfte aufnehmen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weisen die Endabschnitte des Lenkers überwiegend unidirektional in Richtung der Längsachse verlaufende Fasern und der Mittelabschnitt überwiegend sich in einer vertikalen Ebene unter einem Winkel von ±5° bis ±60° zur Längsachse kreuzende Fasern auf. Durch diese Maßnahme wird ebenfalls der Mittelabschnitt des Lenkers verstärkt, so daß er eine erhöhte vertikale Biegesteifigkeit aufweist.

Vorteilhafterweise ist die vertikale Biegesteifigkeit des Lenkers im Bereich des Biegegelenks größer als in anderen Lenkerbereichen. Dadurch kann das Biegegelenk mit entsprechend geringerem Querschnitt ausgeführt, also beispielsweise in horizontaler Querrichtung stärker eingeschnürt, werden.

In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist im Kern des Lenkers mindestens eine in Richtung der Längsachse verlaufende, geschlossene Torsionsröhre aus Faserschichten mit sich unter einem Winkel von ±5° bis ±60° zur Längsachse kreuzenden Fasern angeordnet; außerdem weist der Lenker außerhalb des Kerns überwiegend in Richtung der Längsachse verlaufende Fasern auf. Durch den Einschluß einer Röhre in den Lenkerquerschnitt werden außer den Quer- und Längssteifigkeiten die Verdrehsteifigkeit um die Längsachse des Lenkers erhöht und damit die Belastbarkeit und Integrität des Radsatzlenkers insgesamt verbessert.

In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Kern des Lenkers durchgehend vom einen Endabschnitt zum anderen hochfeste R-Glasfasern oder S-Glasfasern oder hochfeste oder hochsteife Kohlenstoff-Fasern auf. Bei ansonsten vorzugsweise verwendeten E-Glasfasern wird durch diese Maßnahme der Lenkerquerschnitt durch den Ersatz der Glasfasern durch hochfeste oder hochsteife Fasern besonders gegen Längszug- oder -druckkräfte verstärkt.

In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind an den Endabschnitten keilförmige Aufdickungen angeformt. Hierdurch wird die Krafteinleitung gegen Herausziehen des Lenkers aus der rahmen- oder lagerseitigen Einspannung zusätzlich durch einen Formschluß gesichert. Nach eine alternativen Ausführungsform der Erfindung sind an den Endabschnitten Befestigungsschlaufen angeformt. Ein Doppelschlaufenanschluß eignet sich beispielsweise hervorragend zur Aufnahme von Seitenkräften für eine momentenfeste Anbindung des Lenkers an Radsatz und Fahrwerksrahmen.

Weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung werden im folgenden anhand eines in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Lenkers beschrieben, in deren

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Lenker in seiner Einbauumgebung,

Fig. 2 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Lenkers in perspektivischer Ansicht und

Fig. 3 einen Endabschnitt eines erfindungsgemäßen Lenkers in einer anderen Ausführungsform als in Fig. 2
dargestellt ist.

Das Fahrwerk oder Drehgestell eines Schienenfahrzeugs weist gemäß Fig. 1 zur Führung eines Radsatzes auf beiden Seiten des Fahrwerks zwei parallel übereinander angeordnete Lenker 1 auf, die einerseits am Rahmen 2 des Fahrwerks und andererseits am Gehäuse 3 des Radlagers angebunden sind. In den als Wälzlager ausgebildeten Radlagern sind die Achsen der Räder 4 des Radsatzes gelagert. Der Rahmen 2 stützt sich über eine als Schraubenfeder ausgebildete Primärfeder 5 auf dem Radsatz ab. Parallel zur Primärfeder 5 ist ein Schwingungsdämpfer 6 angeordnet, die zusammen die vertikale Federbewegung des Rahmens 2 relativ zum Radsatz des Schienenfahrzeugs charakterisieren. Die Parallelanordnung der Lenker 1 hat den Vorteil, daß eine zusätzliche Biegebelastung der Primärfederung 5 verhindert wird. Die Lenker 1 sind an den Enden momentenfest eingespannt. Die Spannkräfte werden über Spannringe 7 aus Faser-Verbund-Werkstoff aufgebracht, die auf die Enden der zwei übereinander angeordneten Lenker 1 wirken. Die Lenker 1 werden auf zwischen diese mittig angeordnete Stahlklötze 8 über Verschraubungen 9 einerseits am Gehäuse 3 des Radlagers und andererseits über eine Konsole 10 am Rahmen 2 des Fahrwerks festgeklemmt. Bei parallel geführter Absenkung einer der beiden Lenkereinspannungen ergibt sich eine S-förmige Verformung des gesamten Lenkers 1. Die Längsachse der Lenker 1 ist etwa in Fahrtrichtung X ausgerichtet. Bis auf den mittlersten Abschnitt ist der Querschnitt in vertikale Richtung Z flach ausgebildet, da der Lenker 1 in Richtung der Wageneinfederung möglichst biegeweich sein soll.

Gemäß Fig. 2 weist der Lenker 1 zwei Endbereiche 11 und 11' zur Anbindung an Radsatz und Rahmen 2 des Fahrwerks sowie einen dazwischen angeordneten Mittelabschnitt 12 auf. Entlang der Längsachse 13 des Lenkers 1, die parallel zur Fahrtrichtung X ausgerichtet ist, ist im Mittelabschnitt 12 ein Biegegelenk 14 mit einer in vertikale Richtung Z verlaufenden Biegeachse 15 angeordnet. Das Biegegelenk 14 ist als horizontale Einschnürung 16 mit in horizontaler Querrichtung Y abgeflachtem Querschnitt ausgebildet. Dadurch entsteht im Bereich des Biegegelenks 14 die um die Biegeachse 15 erforderliche Biegeweichheit und gleichzeitig ein sich in der X-Z-Ebene erstreckender, für eine hohe Längssteifigkeit des Lenkers 1 ausreichend großer Querschnitt. Auf beiden Seiten des Biegegelenks 14 schließen sich in Längsrichtung 13 Teilabschnitte 17 und 17' an, in welchen der Lenker 1 einen sich in Richtung des Biegegelenks 14 hin verjüngenden Querschnitt aufweist. Die Querschnittsverjüngung ist dabei durch eine sowohl in Z-Richtung als auch in Y-Richtung abnehmende Bauteilstärke entsprechend dem im Betrieb auftretenden Biegemomentenverlauf erreicht. An den Endabschnitten 11 und 11' sind keilförmige Aufdickungen 18 und 18' angeformt, so daß die momentenfeste Einspannung des Lenkers 1 nicht nur durch einen Spannring-bedingten Kraftschluß, sondern zusätzlich durch einen Formschluß erzielt wird.

Alternativ können nach Fig. 3 am Endbereich 11 des Lenkers 1 zwei Befestigungsschlaufen 19 angeformt werden. Dieser Doppelschlaufenanschluß eignet sich besonders zur Aufnahme von Quer- oder Seitenkräften und den daraus resultierenden Biegemomenten.

Claims (13)

1. Lenker aus Faser-Kunststoff-Verbund zur Führung eines Radsatzes in einem Fahrwerk eines Schienenfahrzeuges, insbesondere Hochgeschwindigkeits-Schienenfahrzeuges, der zwei Endabschnitte (11, 11') zur momentenfesten Anbindung des Lenkers (1) einerseits am Radsatz und andererseits am Rahmen (2) des Fahrwerks und einen dazwischen angeordneten Mittelabschnitt (12) mit einer etwa in Fahrtrichtung (X) ausgerichteten Längsachse (13) und mit wenigstens teilweise in vertikaler Richtung (Z) flach ausgebildeten Querschnitt aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Lenker (1) mindestens ein integriertes Biegegelenk (14) mit vertikaler Biegeachse (15) aufweist.

2. Lenker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelabschnitt (12) wenigstens einen Teilabschnitt (17, 17') mit sich zum Biegegelenk (14) hin verjüngendem Querschnitt aufweist.

3. Lenker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Biegegelenk (14) zwischen zwei Teilabschnitten (17, 17') mit gegenläufig sich verjüngenden Querschnitten angeordnet ist.

4. Lenker nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Biegegelenk (14) als horizontale Einschnürung (16) im Querschnitt des Lenkers ausgebildet ist.

5. Lenker nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Lenkers (1) im Bereich des Biegegelenks (14) wenigstens teilweise in horizontaler Querrichtung (Y) flach ausgebildet ist.

6. Lenker nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Werkstoff für den Lenker (1) Glasfaser-Kunststoff-Verbund mit überwiegend unidirektional in Richtung der Längsachse (13) verlaufenden Fasern vorgesehen ist.

7. Lenker nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelabschnitt (12) des Lenkers (1) schubaufnehmende Schichten mit sich unter einem Winkel von ±5° bis ±60° zur Längsachse (13) kreuzenden Fasern aufweist.

8. Lenker nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Endabschnitte (11, 11') des Lenkers (1) überwiegend unidirektional in Richtung der Längsachse (13) verlaufende Fasern und der Mittelabschnitt (12) überwiegend sich unter einem Winkel von ±5° bis ±60° zur Längsachse (13) kreuzende Fasern aufweisen.

9. Lenker nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die vertikale Biegesteifigkeit des Lenkers (1) im Bereich des Biegegelenks (14) größer als in anderen Lenkerbereichen ist.

10. Lenker nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß im Kern des Lenkers (1) mindestens eine in Richtung der Längsachse (13) verlaufende, geschlossene Torsionsröhre aus Faserschichten mit sich unter einem Winkel von ±5° bis ±60° zur Längsachse (13) kreuzenden Fasern angeordnet ist und der Lenker (1) außerhalb des Kerns überwiegend in Richtung der Längsachse (13) verlaufende Fasern aufweist.

11. Lenker nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern des Lenkers (1) durchgehend vom einen Endabschnitt (11) zum anderen Endabschnitt (11') hochfeste R-Glasfasern oder S-Glasfasern oder hochfeste oder hochsteife Kohlenstoff-Fasern aufweist.

12. Lenker nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß an den Endabschnitten (11, 11') keilförmige Aufdickungen (18, 18') angeformt sind.

13. Lenker nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß an den Endabschnitten (11) Befestigungsschlaufen (19) angeformt sind.