DE102004062664A1 - Vorrichtung zum gelenkigen Verbinden zweier Wagenkästen eines mehrgliedrigen Schienenfahrzeuges - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum gelenkigen Verbinden zweier Wagenkästen (1, 2) eines mehrgliedrigen Schienenfahrzeuges. Bei diesem Fahrzeug ist einer der Wagenkästen (2) bei allen Beladungszuständen mit einem wesentlichen Anteil seines Gewichts über die Vorrichtung auf dem anderen Wagenkasten (1) abgestützt, der mit zumindest einem Fahrwerk (3) verbunden ist. Dabei ist die Verdrehsteifigkeit zwischen den Wagenkästen (1, 2) um die Fahrzeuglängsachse im Vergleich zu der Anbindesteifigkeit des Wagenkastens (1) zu seinem Fahrwerk (3) gering, wobei in Fahrzeugquerrichtung auftretende Kräfte annähernd auf Höhe des Schwerpunkts (S) des mit dem Fahrwerk (3) verbundenen Wagenkastens (1) übertragen werden.

Description

• Vorrichtung zum gelenkigen Verbinden zweier Wagenkästen eines mehrgliedrigen Schienenfahrzeuges Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum gelenkigen Verbinden zweier Wagenkästen eines mehrgliedrigen Schienenfahrzeuges, bei dem einer der Wagenkästen bei allen Beladungszuständen mit einem wesentlichen Anteil seines Gewichts über die Vorrichtung auf dem anderen Wagenkasten abstützt ist, der mit zumindest einem Fahrwerk verbunden ist.
• Die Gliederzuganordnung, d.h. die Verbindung der einzelnen Wagen eines Zuges durch jeweils ein einziges, nur rotatorisch bewegliches Gelenk, ist ein bewährtes Konstruktionsprinzip im Schienenfahrzeugbau. Im Gegensatz zu Einzelwagen mit jeweils zwei Fahrwerken (bzw. Drehgestellen) genügt hierbei ein einziges Fahrwerk je Wagenübergang, womit sich die Zahl der Fahrwerke des Zuges selbst unter Beibehaltung ihres Abstands deutlich reduzieren lässt. Zudem sind die Relativbewegungen an den Übergängen der Wagen aufgrund der eingeschränkten Freiheitsgrade wesentlich geringer, was die Ausführung von Übergangseinrichtungen wesentlich vereinfacht.
• Ein Problem ergibt sich bei vielen realisierten Gliederzügen durch eine um die Fahrzeuglängsachse torsionssteife Kopplung der Wagenkästen. Eine solche hohe Steifigkeit wird entweder erzeugt durch die Bauart der Gelenke, die den entsprechenden Freiheitsgrad nicht besitzen, oder durch die Anbindung jeweils zweier Wagenkastenenden an ein im Gelenkbereich angeordnetes, gemeinsames Drehgestell (z.B. nach Jakobs-Bauart mit separater Sekundärfeder je Wagenkasten entsprechend den Triebwagenzügen Baureihe 423 bis 426 der Deutschen Bahn AG). Durch die steife Kopplung der Wagenkästen können Gleislagestörungen und Überhöhungsrampen schlechter als bei Einzelwagen kompensiert werden, was zu entgleisungskritischen Radentlastungen führen kann. Zudem werden alle Bauteil- und Montagetoleranzen über der Zuglänge aufsummiert, so dass eine abschließende Justierung zur Einstellung der Radlasten an der gesamten Zugeinheit erforderlich sein kann, was erhebliche Anforderungen an die messtechnische Ausrüstung stellt.
• Eine mögliche Lösung des zuvor erläuterten Problems ist eine um die Längsachse weiche Ausführung der Gelenke in Verbindung mit einer eindeutigen Zuordnung der Drehgestelle zu genau einem Wagenkasten – zumindest bezüglich der Wankabstützung. Beim einstöckigen Hochgeschwindigkeitszug TGV wird dies z.B. erreicht durch allseitig drehbare Elastomergelenke und eine Anbindung der Wankstützen an jeweils nur einen Wagenkasten. Da Gliederzüge mit an den Kastenenden (d.h. in der Nähe der Gelenke) angeordneten Jakobs-Drehgestellen insgesamt immer ein Drehgestell mehr als Wagenkästen besitzen, ist offensichtlich die Zuordnung der Wankabstützung jedes Drehgestells zu einem Wagenkasten, dessen Masse exakt der Belastung dieses Drehgestells entspricht, nicht durchgängig möglich. Falls der Schwerpunkt eines Wagenkastens höher als die Gelenke liegt, was in der Regel der Fall ist, erzeugen Querkräfte aus unausgeglichener Seitenbeschleunigung um diese Gelenke ein Wankmoment, das nur von den an diesen Kasten wanksteif angekoppelten Drehgestellen aufgenommen werden kann. Aufgrund der ungleichmäßigen Zuordnung muss mindestens ein Drehgestell des Zuges einen höheren Anteil an Wankbelastung aufnehmen als es seinem Anteil an vertikaler Auflast entspricht, was zum Kippen (einseitige Radentlastung) führen kann.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der gattungsgemäßen Art so zu gestalten, dass die zuvor genannten Nachteile der existierenden verdrehweichen Bauweisen vermieden sind.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Verdrehsteifigkeit zwischen den Wagenkästen um die Fahrzeuglängsachse im Vergleich zu der Anbindesteifigkeit des Wagenkastens zu seinem Fahrwerk gering ist, wobei in Fahrzeugquerrichtung auftretende Kräfte annähernd auf Höhe des Schwerpunkts des mit dem Fahrwerk verbundenen Wagenkastens übertragen werden.
• Die Vorrichtung nach der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Wankmomente in derselben Aufteilung auf die Drehgestelle verteilt werden wie die vertikalen Auflasten, womit die Kippstabilität aller Drehgestelle optimal ausgenutzt wird. Da die Übertragung der Querkräfte zwischen den Wagenkästen auf Höhe ihrer Schwerpunkte erfolgt, ist die stationäre Wirkung auf das Fahrwerk bei unausgeglichener Seitenbeschleunigung für eine über die gelenkige Verbindung angehängte Wagenkastenmasse gleich der einer wankfest angekoppelten. Die dynamischen Anteile der Wankkräfte werden systembedingt nicht durch den Gelenkmechanismus selbst übertragen. Es stellt jedoch kein Problem dar, die Wagenkästen durch zwischengeschaltete Dämpfer zu koppeln. Im Gegensatz zur elastischen oder kinematischen Kopplung, wie bei den oben beschriebenen existierenden Gliederzügen, vermeiden viskose Dämpfer Verspannungen aufgrund von Toleranzproblemen, da diese selbsteinstellend sind.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
• Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben, die in der Zeichnung jeweils prinzipartig dargestellt sind. Es zeigen
• 1 die Endbereiche von zwei Wagenkästen eines mehrgliedrigen Schienenfahrzeuges mit einer erfindungsgemäßen Verbindungsvorrichtung in Seitenansicht,
• 2 den Schnitt nach der Linie II–II in 1,
• 3 eine der 1 ähnliche Seitenansicht mit einer alternativ ausgeführten Verbindungsvorrichtung,
• 4 den Schnitt nach der Linie IV–IV in 3,
• 5 eine weitere Gestaltungsmöglichkeit einer Verbindungsvorrichtung im Querschnitt,
• 6 eine den 1 bzw. 3 ähnliche Seitenansicht mit einer nächsten Ausführungsform einer Verbindungsvorrichtung.
• Gemäß den 1, 3 und 6, ist ein zu einem Gliederzug gehörender Wagenkasten 1 mit zumindest einem Fahrwerk 3 verbunden. Der andere Wagenkasten 2, der einen dem Wagenkasten 1 zugewandten Abstützarm 4 aufweist, stützt sich bei allen Beladungszuständen mit einem wesentlichen Anteil seines Gewichts über die Verbindungsvorrichtung auf dem Wagenkasten 1 ab. Da eine Übertragung von Längskräften zwischen den Wagenkästen 1 und 2 auf Höhe ihrer Schwerpunkte aus Gründen der Strukturbelastung in der Regel nicht sinnvoll ist, wird in den Ausführungsbeispielen eine konstruktive Trennung der Kraftkomponenten bevorzugt.
• Die Längskräfte werden auf Höhe des Untergestells der beiden Wagenkästen 1 und 2 übertragen, beispielsweise durch eine auf Zug und Druck belastbare, gelenkig gelagerte Kuppelstange 8 – siehe 1 und 3 – oder mittels einer Zugstange 10 und wenigstens eines in Druckrichtung wirksamen Puffers 9 (siehe 6).
• Für Vertikal- und Querkräfte wäre die Anordnung eines reellen Gelenks auf Schwerpunktshöhe der Wagenkästen 1 und 2 zwar denkbar, jedoch ist aus Gründen der Gestaltung des Fahrgastraums meist ein virtueller Drehpunkt zu bevorzugen, der einen Durchgang in Fahrzeugmitte frei lässt. Eine entsprechende Ausführung ist denkbar als elastische Abstützung 5, etwa in Form von in 2 dargestellten, keilförmig angeordneten Gummischichtfedern, deren Steifigkeitsschwerpunkt auf Höhe des Schwerpunkts S der Wagenkästen 1 und 2 liegt. Alternativ kann eine Aufhängung des Wagenkastens 2 über ein Lenker 6 aufweisendes Gelenkgetriebe erfolgen, dessen Momentanpol auf Höhe des Kastenschwerpunkts S liegt, wie dies in den 3 und 4 gezeigt ist. Die Querkraftübertragung kann auch direkt in Höhe des Schwerpunkts S durch Queranschläge 7 (5) oder entsprechend angeordnete Lenker erfolgen.
• Aufgrund des hoch liegenden Drehpunkts muss die Längskraftübertragung gewisse Querbewegungen zulassen, so dass eine Lagerung der Kuppelstange 8 in zwei Gelenken ( 1) oder für den Puffer 9 eine Gleitfläche (6) in Betracht kommt. Da die Querbewegungen jedoch ausschließlich aus Längsverwindungen des Zugverbands resultieren, sind die erforderlichen Wege minimal, insbesondere auch für eine übliche Übergangsbrücke und einen Faltenbalg.
• Ein besonderer Vorteil ergibt sich im Übrigen dadurch, dass bei den Elementen zur Längskraftübertragung (Zugstange 8 bzw. Puffer 9) existierende Lösungen für reversible oder irreversible Vorrichtungen zur gezielten Aufnahme der Energie von Längsstößen genutzt werden können.
• Ein vollständiger Gliederzug mit einer der hier erläuterten Verbindungsvorrichtungen kann zwei die Enden des Zuges bildende Wagenkästen 1 aufweisen, die an ihren beiden Kopfabschnitten auf jeweils einem Fahrwerk 3 abgestützt sind.
• Zwischen solchen Endwagenkästen 1 in grundsätzlich beliebiger Anzahl angeordnete mittlere Wagenkästen 2 können auf jeweils nur einem Fahrwerk 3 ruhen, das unterhalb des von der Verbindungsvorrichtung abgewandten, nicht dargestellten Endbereichs des entsprechenden Wagenkastens 2 platziert ist. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, den oder die mittleren Wagenkästen 2 des Gliederzuges frei von Fahrwerken 3 als so genannte schwebende Wagenkästen vorzusehen, bei denen an beiden Wagenenden jeweils eine der erfindungsgemäßen Verbindungsvorrichtungen abgebracht ist.

1

Wagenkasten mit Fahrwerk

2

aufgestützter Wagenkasten

3

Fahrwerk

4

Abstützarm

5

Abstützung

6

Lenker

7

Queranschlag

8

Kuppelstange

9

Puffer

10

Zugstange

S

Schwerpunkt des aufgestützten Wagenkastens

Claims (7)

1. Vorrichtung zum gelenkigen Verbinden zweier Wagenkästen (1, 2) eines mehrgliedrigen Schienenfahrzeuges, bei dem einer der Wagenkästen (2) bei allen Beladungszuständen mit einem wesentlichen Anteil seines Gewichts über die Vorrichtung auf dem anderen Wagenkasten (1) abstützt ist, der mit zumindest einem Fahrwerk (3) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdrehsteifigkeit zwischen den Wagenkästen (1, 2) um die Fahrzeuglängsachse im Vergleich zu der Anbindesteifigkeit des Wagenkastens (1) zu seinem Fahrwerk (3) gering ist, wobei in Fahrzeugquerrichtung auftretende Kräfte annähernd auf Höhe des Schwerpunkts (S) des mit dem Fahrwerk (3) verbundenen Wagenkastens (1) übertragen werden.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstützung (5) über elastische Verbindungen erfolgt, die derart dimensioniert und angeordnet sind, dass der Schwerpunkt der Federsteifigkeit in Fahrzeugquerrichtung annähernd auf Höhe des Schwerpunkts des aufgestützten Wagenkastens (2) liegt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstützung über ein Lenker (6) aufweisendes Gelenkgetriebe erfolgt, dessen Momentanpol annähernd auf Höhe des Schwerpunkts des aufgestützten Wagenkastens (2) liegt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragung der Querkräfte durch wenigstens ein nur in Querrichtung wirksames Kraftübertragungselement erfolgt, das annähernd auf Höhe des Schwerpunkts des aufgestützten Wagenkastens (2) angeordnet ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Längskräfte zwischen den Wagenkästen (1, 2) durch eine auf Zug und Druck belastbare, gelenkig gelagerte Kuppelstange (8) übertragen werden.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Längskräfte zwischen den Wagenkästen (1, 2) getrennt für Zug- und Druckrichtung jeweils durch eigene Elemente (Zugstange 10 bzw. Puffer 9) übertragen werden, wobei die den Druck übertragenden Elemente (Puffer 9) in den Anlageflächen gegeneinander gleiten können.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die die Längskräfte übertragenden Elemente (Zugstange 8 bzw. Puffer 9) reversible oder irreversible Vorrichtungen zur gezielten Aufnahme der Energie von Längsstößen enthalten.