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Steuereinrichtung zum Verändern der Achslust der Laufachsen von Schienentriebfahrzeugen
Die Erfindung bezieht sich auf eine Steuereinrichtung zum Verändern der Achslust
der Laufachsen von Schienentriebfahrzeugen, insbesondere von Drehgestellen der Achsanordnung
A 1 A, in Abhängigkeit von Betriebsgrößen zum Anpassen des Achsdruckes der Treibachsen
an gegebene Betriebszustände.
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Bei diesen bekannten elektropneumatisch arbeitenden Steuereinrichtungen
erfolgt das Abschalten der vergrößerten Achsbelastung zum Erhöhen der Reibungsgrenze
der Treibradsätze, z. B. nach Beendigung des Anfahrens, einer Steigung od. dgl.,
durch Aufheben der Achsentlastung der Laufradsätze in Abhängigkeit von der Weglänge,
der Zeit oder der Steigung. Dabei ergibt sich, daß das Einschalten bzw. Abschalten
nach einem starren Schema erfolgt. Ist beispielsweise der Anfahrvorgang nach der
vorbestimmten Zeit oder Weglänge noch nicht abgeschlossen, so muß der Lokomotivführer
eine ein-oder mehrfache Wiederholung des Schaltintervalles hervorrufen. Ist jedoch
der Anfahrvorgang bereits vor Ablauf des Schaltintervalles abgeschlossen, so wird
bis zu dessen Beendigung die erhöhte Achslust der Treibradsätze aufrechterhalten.
Im ersten Fall ist es der Aufmerksamkeit des Lokomotivführers überlassen, eine Wiederholung
des Schaltintervalls hervorzurufen, während im zweiten Fall der hohe Achsdruck,
der eine starke Beanspruchung des Oberbaues hervorruft, unnötig lange eingeschaltet
bleibt, wenn nicht der Lokomotivführer die Steuereinrichtung vorher außer Kraft
setzt. Die bekannte Vorrichtung dient außerdem nur zum Ein- und Ausschalten einer
vorbestimmten und stets gleichbleibenden Vergrößerung bzw. Verminderung der Achslust.
Damit wirkt die Steuereinrichtung unabhängig von der Belastung des Triebfahrzeuges.
Insbesondere ist sie jedoch in ihrer Wirksamkeit weitgehend von der Aufmerksamkeit
des Lokomotivführers abhängig.
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Die Aufgabe der Erfindung ist daher darin zu sehen, eine Steuereinrichtung
zum Verändern der Achslust gemäß dein Gattungsbegriff zu schaffen, die unabhängig
vom Lokomotivführer sich der jeweiligen Anhängelast des Triebfahrzeuges anpaßt.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, daß die Zugkraft als
Betriebsgröße für die Veränderung der Achsbelastung durch die Steuereinrichtung
vorgesehen ist, derart, daß die Veränderung des Achsdruckes mittels einer durch
die Steuereinrichtung beeinflußten Verstellvorrichtung stetig und proportional zur
Zugkraft erfolgt.
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Durch diese Maßnahmen wird indessen nicht nur eine vorteilhafte Lösung
der Erfindungsaufgabe gewährleistet. Darüber hinaus ergibt sich noch der erhebliche
Vorteil, daß durch die stetige Anpassung der Achsbelastung der Treibachsen, bzw.
die stetige Achsentlastung der Laufachsen an die von der Lokomotive aufzubringende
Zugkraft, die Erhöhung des Achsdruckes der Treibradsätze nur so lange und in einem
solchen Mäße erfolgt, wie dies der jeweilige Betriebszustand erfordert. Ein Schleudern
der Treibradsätze #,vird dadurch weitgehend vermieden. Während für hohe Zugleistungen
bisher z. B. Drehgestelle der Achsanordnung C notwendig gewesen sind, läßt sich
nunmehr das wesentlich einfachere und billigere Drehgestell der Achsanordnung A
1 A verwenden. Eine weitere Ersparnis ergibt sich außerdem dadurch, daß die Steuereinrichtung,
wie an sich bekannt, an einem das Drehmoment des Achsantriebes gegenüber dem Rahmen
des Fahrzeuges abstützenden Teil angeordnet sein kann und von diesem beeinflußt
wird. Damit ist es möglich, durch eine einfache Vorrichtung auch eine Erhöhung der
Bremsleistung der Treibradsätze zu erzielen, so daß unter Uniständen der mittlere
Radsatz ohne Bremse ausgeführt werden kann.
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In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes
schematisch dargestellt. Es zeigt Abb. 1 die Ansicht eines Drehgestells der Achsanordnung
A 1 A, Abb. 2 eine Steuereinrichtung zum Verändern der Achslust der Laufachse in
Abhängigkeit vom Drehmoment an den Treibachsen, Abb.3 eine Steuereinrichtung zum
Verändern der Achslust der Laufachse in Abhängigkeit vom Verhältnis zwischen dem
Druck in der Motorregulierungsleitung und dem Druck hinter einem mit einer Achswelle
verbundenen drehzahlabhängigen Ventil, Abb.4 Zugkraftkurven einer Lokomotive bei
verschiedenen Belastungen,
Aüb. ä die Charakteristik des drehzahlabhängigen
entils bei Zul-kraftkurven gemäß Abb. 4, Abh. f6 e;nen@Längsmitielschnitt durch
ein Difere@?-tialventil.
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hei dein Ausführungsbeispiel nach Abb. 1 ist eines von zwei Drehgestellen
der Achsanordnung 11 A einer nicht dargestellten Drehgestellokoinotive mit dieselmechanischem
oder -hvdraulischem und elektrischem oder dieselelektrischem Antrieb gezeigt. Von
den drei Radsätzen 1 bis 3 sind dabei die beiden Endradsätze als Treibradsätze 1
und 2 ausgebildet, während der mittlere Radsatz als Laufradsatz 3 vorgesehen ist.
Die Führung und Federung der Radsätze 1 bis 3 kann dabei auf irgendeine beliebige
bekannte Weise erfolgen. Zum Antrieb der Treibradsätze 1 und 2 ist bei mittelbarem
oder unmittelbarem Gelenkwellenantrieb auf jeder Achswelle der beiden Treibradsätze
1 und 2 ein Achsgetriebe 4 vorgesehen, das über eine gefederte Drehmomentstütze
5 mit dem 1\'ahmen 6 des Drehgestells elastisch verbunden ist (linke Hälfte der
Abb. 1), während bei elektrischem oder dieselelektrischem Antrieb (rechte Hälfte
der A bb. 1) beispielsweise jeweils ein Tatzlagermotor 7 vorgesehen ist, der ebenfalls
über nachgiebige Aufhängemittel 8 am Rahmen 6 aufgehängt ist. Die Federung 9 des
mittleren Laufradsatzes 3 ist auf jeder Seite mit der Kolbenstange 10 eines am Rahmen
6 befestigten Arbeitszylinders 11 verbunden, derart, daß bei Druckmittelzufuhr,
in der Regel Druckluft oder Drucköl. die Federung 9 oder eine Stützbasis der Federung
9 angehoben wird und damit der Achsdruck des mittleren Laufradsatzes 3 verringert
und der Achsdruck oder die Achsbelastung der Treibradsätze 1 i,nd 2 vergrößert wird,
so daß die Reibungsgrenze der "l@r:ibradsätze 1 und 2 erhöht wird.
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Erfindungsgemäß erfolgt die Steuerung der Arbeitsylinder 11 zum Entlasten
des Laufradsatzes 3 über eine Steuervorrichtung, welche die Spannung der Druckluft
in den Arbeitszylindern 11 in Abhängigkeit an der Zugkraft der Lokomotive stetig
steuert. Dazu ist das freie Ende einer oder beider Drehmomentstützen 5 bzw. der
Lagerungen der Tatzlagermotoren 7 mit zwei gleichachsig angeordneten und mit ihren
Steuerorganen einander zugekehrten, an sich bekannten Steuerventilen 12 und 13 verbunden.
Die Steuerventile 12 und 13 sind als Membranventil, Kolbenventil. Schieberventil
od. dgl. ausgebildet, und weisen eine Zuführungsöffnung 14, eine Abführungsöffnung
15 und eine Entlüftungsöffnung 16 auf. Jedes Steuerventil 12 und 13 ist zum Anschluß
an die Drehmomentstütze 5 bzw. die Lagerung des Tatzlagerinotors 7 mit einer Steuerstange
17 versehen. Beide Steuerstangen 17 sind lotrecht angeordnet, so daß ein Steuerventil
12 oberhalb und das andere Steuerventil 13 unterhalb der Drehmomentstütze 5 bzw.
der Aufhängung des Motors 7 am Rahmen 6 angeordnet ist. Die Zuführungsöffnung 14
jedes Steuerventils 12 und 13 ist über eine Zuführungsleitung 18 mit der zum Hauptluftbehälter
19 und weiter zum nicht mehr dargestellten Drucklufterzeuger führenden Hauptluftleitung
20 verbunden, während jede Abführungsöffnung 15 über eine Abführungsleitung 21 an
einem gemeinsamen Doppelrückschlagventil 22 angeschlossen ist. Die Ausströniöffnung
23 des Doppelrückschlagventils 22 ist über eine Steuerleitung 24 mit dem Steuerorgan
25 eines an sich bekannten Relaisventils 26 verbunden, dessen Zuströmöffnung über
eine Druckleitung 27 mit der 1-lauptluftleitung 20 und dessen Ausströmöffnung über
eine Verteilerleitung 28 mit den Arbeitszylindern 11 des T.aufradsatzes 3 verbunden
ist. Weiterhin kann in der Steuerleitung 24 noch ein Doppelrückschlagventi129 vorgesehen
werden, dessen freie Zuströmöffnung über eine Verbindungsleitung 30 an der Ausströmöffnung
eines weiteren mit seiner Zuführungsöffnung 31 an der Hauptluftleitung 20 angeschlossenen
Relaisventil 32 angeschlossen ist. Das Steuerorgan 33 dieses Relaisventils 32 steht
über eine Stichleitung 34 finit dem nicht dargestellten Führerbrenisventil in Verbindung,
wobei in der Stichleitung 34 ein federbelastetes Durclillußventil 35 vorgesehen
sein kanil, das den Durchiluß der vom Führerbremsventil kommenden Druckluft zum
Steuerorgan 33 des Relaisventils 32 erst bei Erreichen einer vorbestimmten Druckgrenze
freigibt.
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Die Wirkungsweise der Steuervorrichtung ist wie folgt: Die mit der
erfindungsgemäß ausgebildeten Steuervorrichtung versehene Lokomotive ist mit dein
zii befördernden Zug gekuppelt. Zum Anfahren und Beschleunigen des Zuges ist eine
bestimmte, der Anhängelast des Zuges entsprechende Zugkraft der Lokoniotive erforderlich,
die als Drehmoment an den Treil>-radsätzen 1 und 2 auftritt. Ein gleiches Drehmoment
tritt in der elastisch am Rahmen 6 abgestützten Drehniornentstiitze 5 bzw. Aufhängung
des Tatzlagermotors 7 auf, d. h. deren freie Enden bewegen sich nach Maßgabe der
Zugkraft je nach Fahrtrichtung nach oben oder unten. Dadurch wird die Steuerstange
17 eines der beiden Steuerventile 12 oder 13 zu diesem hin verschoben und das Steuerventil
12 oder 13 geöffnet, während die des anderen Steuerventils 13 oder 12 in der Ruhelage
und damit das Ventil geschlossen bzw. entlüftet bleibt. Da der Weg des Endes der
Drehmomentstütze 5 unmittelbar proportional der Zugkraft ist, ist die Öffnungsweite
des Steuerventils 12 oder 13 und damit der Durchfluß der Druckluft aus der Hauptluftleitung
20 über die Zuführungsleitung 18 in die Abführungsleitung 21 ebenfalls proportional
der Zugkraft. Der Druck in der Abführungsleitung 21 wirkt nun über die beiden Doppelrückschlagventile
22 und 29 in der Steuerleitung 24 und heaufschlagt das Steuerorgan 25 des Relaisventils
26, das nun seinerseits die an die Hauptluftleitung 20 angeschlossene Druckleitung
27 nach Maßgabe der Zugkraft mit der Verteilerleitung 28 verbindet, so daß durch
die Arbeitszylinder 11 ebenfalls proportional zur Zugkraft eine Verminderung der
Achslast des Lauf radsatzes 3 und damit die erforderliche Erhöhung des Reibungsgewichtes
auf den Treibradsätzen 1 und 2 hervorgerufen wird. Die Steuereinrichtung ist dabei
so abgestimmt (Abb. 4), daß sie immer erst dann in Wirkung tritt, wenn die jeweils
erforderliche Zugkraft die unter der Voraussetzung gleichmäßig belasteter Radsätze
1 bis 3 gegebene Reibungsgrenze UR überschreitet und so lange in Wirkung bleibt,
solange die Zugkraft über dieser Reibungsgrenze ('R liegt. In Abb. 4 sind beispielsweise
vier Zugkraftkurven einer Lokomotive eingetragen, die verschiedenen Lasten des Motors
zugeordnet sind und von denen die voll ausgezogene Kurve der Vollast und die gestrichelten
Kurven drei verschiedenen Teillasten 1, 2 und 3 entsprechen oder, anders ausgedrückt,
beispielsweise der Zugkraft der Lokomotive in Abhängigkeit von der Fahrgeschwindigkeit
bei vier Fahrstufen des Motors entsprechen. Dabei ist zu erkennen, daß der Schnittpunkt
jeder Zugkraftkurve mit der Zugkraft an der Reibungsgrenze (.'R, falls ein solcher
vorhanden ist (bei Teillast 3 nicht mehr), jeweils einer bestimmten Fahrgeschwindigkeit
a, h bzw. c entspricht. Bei Erreichen dieser Fahrgeschwindigkeit wird bei
einer bestimmten Last die Achsentlastung des Lauf radsatzes 3 aus- bzw.
eingeschaltet.
Mit anderen Worten, die Steuervorrichtung wirkt nur, so lange die Zugkraft die Reibungsgrenze
UR bei gleichmäßig belasteten Radsätzen 1 hIs 3 üherschreitet.
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Wird die Lokomotive mittels dem oder dar Antriebsmotoren oder einer
Getriebebremse gebremst, so wirkt die Steuereiinrichtung wie beim Beschleunigungsvorgang.
Wenn jedoch, wie im allgemeinen üblric'h ist, mittels der Druckluf-tbremse gebremst
werden soll, so wird nach Erreichen eines bestimmten, der Reibungsgrenze
UR bei gleichmäßig belasteten Radsätzen 1 bis 3 entsprechenden Bremsdruckes
das Durchflu;ßve:ntil 35 in der Stichleitung 34 geöffnet und durch das Relai!sventi@l32
nach Maßgabe des Bremsdruckes der Druckluft aus der Hauptleitung 20 der Weg ein
die VerbIndungsdeitung 30 und von dort Über das Doppelrückschilagventi129 und die
Steuerleitung 24 zum Steuerorgan 25 des Relaisventils 26 freigegeben. Das Relais
wen,til 26 regelt nun, seinerseits über die Arbeitszylinder 11 wieder die Entlastung
des mittleren Lauf radsatzes 3 und damit die Belastung der Treiibradsätze 1 und
2 in Abhängigkeit vom Bremsdruck. Damit kann die Steuereinrichtung nicht nur mit
Vorteil zum Anfahren, :sondern auch zum Bremsen ausgenutzt werden. Der Iaufradsatz
3 kann dabei. ohne Bremse ausgeführt werden, da er bei größerer Entlastung keine
nennenswerte Bremswirkung mehr erwarten läßt.
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Außerdem kann die Steuereinrichtung auch zum Beaufschlaagen einer
Sch deuderschu:tzbremse benutzt werden, die kurz vor Erreichen der unter der Voraussetzung
belasteter Tre:ib,radsätze 1 und 2 und entlasteten Lauf radsatzes_ 3 gegebenen Reibungsgrenze
0R (Abb.4) eingeschaltet wird. Dazu kann unmittelbar der Druck in der Steuerleitung
24 zwischen den beiden Doppelrücksohlagventilen 22 und 29 vorgesehen werden.
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Für Fälle, bei denen eine Ableitung des Steuerimpu,lses von einem
Drehmoment übertragenden Teil nicht möglich oder nicht erwünscht ist, ist das Ausführungsbeispiel
nach Abb. 3 vorgesehen.
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Die Zugkraft einer Lokomotive ist nicht nur dem Drehmoment ihrer Treibradsätze
1 und 2 proportional sondern auch dem Verhältnis zwischen Motorleistung und Fahrgeschwindigkeit
v. Die Motorleistung ihrerseits steht stets in einem bestimmten Verhältnis zum Druck
pm in der Motorregulierungsleitung 41, sofern der Motor pneumatisch oder hydraulisch
gesteuert wird. Jeder Motorleistung ist eine Zugkraftkurve (Abb.4) zugeordnet, so
daß jeder Druck in der Motorregulierungsleitung 41 ebenfalls einer Zugkraftkurve
entspricht, im Beispielsfalle entsprechen der Vollast und den Teillasten 1, 2 und
3 die Drücke pmv, pmti, pmt2 und pmt3 (Abt. 5). Die Zugkraft läßt sich daher auch
durch das Verhältnis vom Druck pm in der Motorregulierungsleitung und der Fahrgeschwindigkeit
v ausdrücken. Um nun beide Werte miteinander in Beziehung zu bringen, ist auf einer
Achswelle, oder mit einer Achswelle eines Radsatzes 1 oder 2 verbunden, ein drehzahlabhängiges
Ventil 36 vorgesehen, das nach Art der bekannten Bremsdruckregler aufgebaut ist
und den Durchströmquerschnitt mit steigender Drehzahl, d. h. mit steigender Fahrgeschwindigkeit,
mehr und mehr öffnet und dadurch Druckluft mit fahrgeschwindigkeitsabhängigem Druck
pz, liefert. Das drehzahlabhängige Ventil 36 ist mit seiner Zuströmöffnung 37 an
die Hauptluftleitung 20 angeschlossen, während seine Ausströmöfffnung mit einer
Schließleitung 38 verbunden ist. An die Schließleitung 38 ist die eine Seite eines
Steuerzylinders 39 eines Differentialventils 40 angeschlossen, dessen andere Seite
mit der Motorregulierungsleitung 41 verbunden ist, die über ein vom Fahrschalter
42 und eine Nockenscheibe 43 gesteuertes bekanntes Feinregelventil 44 mit der Hauptluftleitung
20 in Verbindung steht. Das Differentialventil 40 (Abt. 6) ist beispielsweise als
Tellerventil ausgebildet und wird durch eine vorgespannte Schraubenfeder 45 in der
Schließstellung gehalten. Die Schließleitung 38 mündet im Bereich der Schraubenfeder
45 in den Steuerzylinder 39 ein, so daß der Steuerkolben 46 durch die vom drehzahlabhängigen
Ventil 36 kommende Druckluft in Schließrichtung beaufschlagt wird. Das Tellerventil
des Differentialventils 40 steuert den Durchfluß der Druckluft aus der mit der Hauptluftleitung
20 verbundenen Druckleitung 27 in die die Arbeitszylinder 11 zum Entlasten des mittleren
Laufradsatzes 3 beaufschlagende Verteilerleitung 28. Soll die Steuereinrichtung
wiederum auch zum Entlasten des Laufradsatzes 3 während des Bremsens herangezogen
werden, so ist in der Mo:torregulierungsleitung 41 zwischen dem Feinregelventi144
und dem Differentialventil 40 ein Doppelrückschlagventil 29 vorgesehen, dessen einer
Einströmöffnung in gleicher Weise wie beim ersten Ausführungsbeispiel Druckluft
in Abhängigkeit vom Bremsdruck hinter dem Führerbremsventil zugeführt wird.
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Um eine zugkraftabhängige Steuerung der Arbeitszylinder 11 zu erreichen,
ist es notwendig, das Steuerorgan, d. h. die Schraubenfeder 45 und den Steuerkolben
46 des Differentialventils 40 derart abzustimmen, daß dieses dann öffnet, wenn die
Zugkraftkurve Volllast, Teillast 1 bzw. 2 die Reibungsgrenze UR überschreitet und
damit ein Anheben des Laufradsatzes 3 notwendig wird. Dies ist, wie aus Abb. 4 zu
ersehen ist, im Beispielsfalle bei den Fahrgeschwindigkeiten a, b bzw. c der Fall.
Da jede Zugkraftkurve Vollast, Teillast 1 bzw. 2 einem bestimmten konstanten Druck
pMv, pnatl, bzw. pmt2 in der Motorregulierungsleitung 41 entspricht, muß daher das
Differentialventil 40, z. B. bei Teillast 2, mit dem Druck pmt2 entgegen dem konstanten
Druck ps der Schließfeder 45 und dem im gleichen Sinne auf den Kolben 46 einwirkenden
von dem drehzahlabhängigen Ventil 36 kommenden, der Fahrgeschwindigkeit
a entsprechenden Druck pv öffnen. Für die Teillast 1 bzw. die Vollast gelten
dabei die entsprechenden Drücke pmtl bzw. pmv und die den Fahrgeschwindigkeiten
b bzw. c zugeordneten Drücke pv (vgl. Abb. 5). Allgemein gesprochen rnuß das Differentialventil
40 dann öffnen, wenn der Druck pm in der Motorregulierungsleitung 41 gleich oder
größer als der Druck ps der Schraubenfeder 45 plus dem Druck pv nach dem drehzahlabhängigen
Ventil 36 ist (Abt. 4 und 5). Der Druck ps der Schließfeder 45 auf den Steuerkolben
46 des Differentialventils 40 ist so einzustellen, daß er gleich dem entsprechenden
Druck pmt3 der Motorregulierungsleitung 41 bei einer Teillast 3 ist, deren Zugkraft
unterhalb der bei gleichmäßig belasteten Radsätzen 1 bis 3 gegebenen Reibungsgrenze
UR liegt, wie aus den Abb. 4 und 5 als Beispiel hervorgeht. Weiterhin ist die Druckcharakteristik
pv des drehzahlabhängigen Ventils 36 vorteilhaft so auszulegen, daß sie zwischen
der Fahrgeschwindigkeit v = 0 und der durch den Schnittpunkt 47 (Abt. 4) zwischen
der die Reibungsgrenze UR bei gleichmäßig belasteten Radsätzen 1 bis 3 und der Zugkraftkurve
bei Vollast bestimmten Fahrgeschwindigkeit v = c um die Differenz zwischen dem höchsten
Druck pmv in der Motorregulierungsleitung 41 abzüglich dem spezifischen Druck ps
der Schraubenfeder
45 des Differentialventils 40 linear
ansteigt. Die Chaiakteristik des drehzahlabhängigen Ventils 36 kann jedoch auch
nicht linear sein. Sie richtet sich nach den Zugkraftkurven der Lokomotive.
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Die Wirkungsweise des Ausführungsbeispiels nach Abb. 3 entspricht
grundsätzlich der des Ausführungsbeispiels nach Abb. 2. Der Unterschied besteht
lediglich darin, daß die zugkraftabhängige Steuerung der Arbeitszylinder 11 zum
Entlasten des Laufradsatzes 3 durch gleichzeitiges Einwirken des die Motorleistung
bestimmenden Druckes pm in der Motorregulierungsleitung 41 und des von'der Fahrgeschwindigkeit
v abhängigen Druckes pv hinter dem drehzahlabhängigen Ventil 36 eines Radsatzes
1 oder 2 auf ein Differentialsteuerorgan erfolgt.
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Selbstverständlich ist es nicht notwendig, daß die zugkraftabhängig
gesteuerten Arbeitszylinder 11 zum Entlasten des mittleren Laufradsatzes 3 vorgesehen
werden. Die gleiche Wirkung läßt sich mit etwas größerem Aufwand auch dadurch erzielen,
daß an Stelle des mittleren Laufradsatzes 3 jeder Treibradsatz 1 und 2 mit zwei
durch die Steuereinrichtung gesteuerten Arbeitszylindern 11 versehen ist, die bei
steigender Zugkraft ein unmittelbares Belasten der Treibradsätze 1 und 2 hervorrufen.