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Wiegenloses, gasgefedertes Drehgestell für Schienenfahrzeuge Die Erfindung
betrifft ein wiegenloses, gasgefedertes Drehgestell für Schienenfahrzeuge, dessen
mit Ausnahme der Einspannwülste von Abstützfiächen freie torusförmige Gasfederbälge
einerseits unmittelbar am Drehgestellrahmen fest eingespannt sind.
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Es sind Drehgestelle für Schienenfahrzeuge bekannt, die bereits Gasfedern
zur Abstützung des Wagenkastens aufweisen. Die Gasfedern können torusförmige, einfaltige
Bälge sein, die am Wagenkasten und Drehgestellrahmen befestigt sind, um außer der
lotrechten Federung Horizontalbewegungen zwischen Wagenkasten und Drehgestell zu
ermöglichen. Hierbei könnnen die Federbälge so angeordnet sein, daß sie die Horizontalbewegungen
unter Einschluß der seitlichen Wiegenbewegungen zwischen Wagenkasten und Drehgestell
ermöglichen und dabei eine Rückstellkraft in den Federn erzeugt wird, die Wagenkasten
und Drehgestell jeweils wieder in ihre Ausgangslage zueinander bringt.
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Der Nachteil ist hierbei, daß die in den Federbälgen erzeugte, für
die seitliche Wiegenbewegung an sich erwünschte Rückstellkraft beim Durchfahren
von Kurven mit Federkräften verbunden ist, die zu einem zusätzlichen Spurkranzdruck
und damit zu einem erhöhten Spurkranzverschleiß führen. Läßt man dagegen Horizontalbewegungen
zwischen Wagenkasten und Drehgestell unter Verformung der Gasfedern zu, ohne daß
eine Rückstellkraft erzeugt wird, so ist dieser Zustand zwar für den Spurkranzdruck
in der Kurvenfahrt erwünscht, die Bälge sind aber gegenüber seitlichen Wiegenbewegungen
instabil und müssen nach Seitenverschiebungen zwischen den Einspannwülsten durch
besondere, aufwendige Mittel wieder in ihre Ausgangslage zurückgebracht werden.
Die geschilderten Nachteile würden insbesondere dann auftreten, wenn mit Rücksicht
auf die guten Laufeigenschaften des Fahrzeuges das Wiegenquerspiel relativ groß
bemessen werden sollte, wie es z. B. bei Schienenfahrzeugen der Fall ist, bei denen
in besonderer Weise angeordnete Anschläge beim Durchfahren von Kurven nach der Kurvenaußenseite
ein relativ größeres Wiegenquerspiel zulassen als nach der Kurveninnenseite.
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Zur Erhöhung der statischen Tragfähigkeit der Luftfedern von Fahrzeugen
mit torusförmigem Federbalg ist es bereits bekannt, die an die Einspannwülste anschließenden,
von Abstützflächen freien Teile der Balgwand in Richtung der Symmetrieachse der
Feder oder unter einem nur geringen Winkel dazu verlaufen zu lassen, wobei die beiden
Einspannwülste mit gleichen Durchmessern in verschiedenen Horizontalebenen oder
mit verschiedenen Durchmessern bei der statischen Grundbelastung der Feder in einer
gemeinsamen Horizontalebene liegen.
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Bekannt sind auch Luftfedern, deren Einspannwülste mit gleichen oder
verschiedenen Durchmessern in verschiedenen Horizontalebenen liegen, bei denen jedoch
die an die Einspannwülste anschließenden Teile der Balgwand auf Abstützflächen aufliegen.
Es handelt sich dadurch um Rollbälge, die sich von den torusförmigen Bälgen mit
nur an den Einspannwülsten abgestützten Balgwänden dadurch grundsätzlich unterscheiden,
daß ihre wirksame Fläche unabhängig vom Einfederzustand konstant ist, wodurch an
die Auslegung dieser Federn grundsätzlich andere Anforderungen gestellt werden als
an die Auslegung von Luftfedern mit torusförmigen Federbälgen. Auch sind Rollbälge
nicht als Verschiebeglieder quer zu ihrer Achse zwischen gefedert gegeneinander
abgestützten Bauteilen anwendbar.
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Bei einem Schienenfahrzeug ist es auch noch bekannt, zwischen dem
Wagenkasten und dem Laufwerk torusförmige Luftfederbälge mit Einspannwülsten, die
mit gleichen Durchmessern in verschiedenen Horizontalebenen liegen, anzuordnen und
diesen Hauptfedern um 90° gedreht angeordnete Federn zuzuordnen. Das Laufwerk ist
horizontal gegenüber dem Wagenkasten nicht verschiebbar, und die zusätzlichen Federn
sollen die lotrechte Charakteristik der Hauptluftfedern beeinflussen. Um dieser
Aufgabe entsprechen zu können, sind die zusätzlichen Federn in ein Gelenksystem
zwischen Wagenkasten
und Laufwerk eingeschaltet, das eine Schubbeeinflussung
der zusätzlichen Federn in lotrechter Richtung ermöglicht.
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Schließlich ist einer Druckschrift, die sich mit der Befestigung von
Gasfedern am einen der gegeneinander abgefederten Teile befaßt, eine Rollbalggasfeder
zu entnehmen, bei der der äußere Teil der vom Rollbalg gebildeten Rinne frei ist,
während der innere Teil der Rinne auf einer Abstützfläche abgestützt ist, die so
profiliert ist, daß eine progressive Federwirkung entsteht. Die Einspannwülste haben
verschiedene Durchmesser und liegen bei Aufbringung der statischen Normallast in
einer Horizontalebene. Die Feder ist nur zur Aufnahme senkrechter Kräfte und vorwiegend
für Kraftfahrzeuge bestimmt.
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Durch die Erfindung soll ein in seinem Aufbau einfaches wiegenloses
Drehgestell mit guten Laufeigenschaften und mit unmittelbar zwischen Wagenkasten
und Drehgestell angeordneten torusförmigen, mit Ausnahme der Einspannwülste von
Abstützflächen freien Gasfederbälgen geschaffen werden, bei dem eine Instabilität
der Bälge bei seitlichen Wiegenbewegungen ebenso vermieden ist wie eine unzulässige
Erhöhung des Spurkranzdruckes beim Durchfahren von Kurven durch eine Rückstellkraft,
die durch die Bälge hervorgerufen wird.
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Die Erfindung, durch welche die gestellte Aufgabe gelöst wird, besteht
in der Kombination der folgenden Merkmale: a) die dem Wagenkasten und dem Drehgestellrahmen
zugehörigen Einspannwülste jeder der in der Fahrzeugquerebene des Drehzapfens liegenden,
als oben offene Rinne ausgebildeten Federbälge liegen in der Arbeitsstellung in
verschiedenen Horizontalebenen, b) der Querschnitt der Rinne jedes Balges ist im
wesentlichen ein Teil eines stetig gekrümmten Kreisbogens, c) die Wand jedes Balges
läuft im Bereich der Einspannwülste in Abschnitte unterschiedlicher Neigung gegen
die Symmetrieachse der Gasfeder aus, wobei der Abschnitt im Bereich des zum Drehgestellrahmen
gehörenden Einspannwulstes weniger gegen die Symmetrieachse geneigt ist als der
Abschnitt im Bereich des zum Wagenkasten gehörigen Einspannwulstes. Der mit Ausnahme
der Einspannwülste von Abstützflächen freie Balg auf jeder Seite eines Drehgestelles
gemäß der Erfindung in der Form einer oben offenen Rinne mit dem Kreisbogenquerschnitt
der Balgwand ergibt eine »Völligkeit« des Balges, die eine große lotrechte Federweichheit
bei relativ kleinem Gasvolumen gewährleistet. Die Gasfeder auf jeder Drehgestellseite
mit der demzufolge großen Federweichheit wird im Bereich des zum Wagenkasten gehörenden
Einspannwulstes wegen der größeren Neigung der Balgwand gegen die Symmetrieachse
der Feder praktisch nicht verhärtet. Auf der anderen Seite erhöht die zunächst allenfalls
geringe Neigung der Balgwand gegen die Symmetrieachse im Bereich des zum Drehgestellrahmen
gehörenden Einspannwulstes die statische Tragfähigkeit jeder Feder, ohne diese lotrecht
dynamisch zu verhärten. Denn beim Einfedern wird auch der zunächst wenig gegen die
Symmetrieachse geneigte Teil der Balgwand zunehmend gegen die Symmetrieachse geneigt,
und sein die Feder verhärtender Einfluß wird mit zunehmendem Einfedern geringer.
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Bezüglich der horizontalen Seitenführung kommt dem Teil der Balgwand
im Bereich des zum Wagenkasten gehörenden Einspannwulstes eine besondere Bedeutung
zu, weil dieser Wandteil vom Beginn seitlicher Verschiebungen an eine horizontale
Rückstellkraft ergibt. Diese Rückstellkraft wird mit zunehmenden Seitenverschiebungen
durch den sich stärker gegen die Symmetrieachse neigenden, zum Einspannwulst des
Wagenkastens gehörenden Teil der Balgwand in einem mit Rücksicht auf den Spurkranzdruck
zulässigen Maße erhöht, so daß eine progressiv ansteigende seitliche Rückstellkraft
allein mit den Federbälgen auf beiden Seiten des Drehgestelles erreicht wird. Dadurch,
daß die Einspannwülste jedes Federbalges in verschiedenen Horizontalebenen liegen,
sind relativ große Seitenbewegungen zwischen Drehgestell und Wagenkasten unter Ausnutzung
der sich ausbildenden progressiv ansteigenden seitlichen Rückstellkräfte möglich,
so daß auch Fahrzeuge mit sehr großem Drehzapfenabstand relativ enge Kurven durchfahren
können. Es sind auch bei wiegenlosen Drehgestellen große seitliche Wiegenbewegungen
des Wagenkastens möglich, so daß trotz der durch den Fortfall der Wiegen baulich
einfachen Drehgestelle ein guter Fahrkomfort gewährleistet werden kann. Zusammenfassend
kann ein Schienenfahrzeug mit Drehgestellen nach der Erfindung in seinem Aufbau
einfach: sein, es kann leicht gebaut sein und es kann lotrecht und horizontal gute
Laufeigenschaften haben und zwar allein mit den Gasfedern auf den beiden Drehgestellseiten,
die die einzige lotrechte Warcnkastenfederung, die horizontal wirkenden Verschiebeglieder
zwischen Wagenkasten und Drehgestellen und gleichzeitig - ohne eine unzulässige
Erhöhung des Spurkranzdruckes zu bewirken - in normalen Betriebsbereichen die Führungsglieder
zwischen Wagenkasten und Drehgestell bezüglich dieser Verschiebebewegungen zwischen
Wagenkasten und Drehgestell darstellen.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung sind zwischen Drehgestellrahmen
und Wagenkasten Seitenfedern angeordnet, die beim Durchfahren von Kurven und etwa
bei Erreichen der Hälfte der maximal möglichen Wiegenbewegungen wirksam werden.
Diese Lösung ist dann anzuwenden, wenn in besonderem Maße große Wiegenbewegungen
zu berücksichtigen sind. Es bilden sich bei Wiegenbewegungen üblicher Größe und
insbesondere in der Geradeausfahrt Rückstellkräfte zunächst allein in den Federbälgen
aus, die genügen, die Federbälge in ihre Ausgangslage zurückzubringen. Sind infolge
der Größe der Wiegenbewegungen die sich hierbei in den Federbälgen ausbildenden
Rückstellkräfte aber zu klein, um die Wiegenbewegungen zuverlässig zu begrenzen,
so werden nach einer Wiegenquerbewegung in einem bestimmten Ausmaß die Gummifedern
wirksam und behindern zunehmend die Wiegenbewegungen, am sie am Ende des zulässigen
Wiegenquerspieles zu begrenzen. Diese seitlichen Gummifedern werden andererseits
durch die in Fahrzeuglängsrichtung gerichteten Verschiebungskomponenten zwischen
Wagenkasten und Drehgestell während der Kurvenfahrt nicht beeinflußt, so daß trotz
erhöhter Rückstellkräfte beim Wiegenquerspiel keine den Spurkranzdruck während der
Kurvenfahrt erhöhenden Kräfte auftreten. Durch das Wirksamwerden der Seitenfedern
etwa
bei Erreichen der Hälfte der maximal möglichen Wiegenbewegungen setzt die durch
die Seitenfedern progressiv ansteigende Begrenzung der Wiegenbewegung in einem mit
Rücksicht auf das zulässige Wiegenquerspiel besonders günstigen Zeitpunkt ein.
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Die vorzugsweise aus Gummi bestehenden Seitenfedern haben von Haus
aus schon eine bestimmte Progressivität; da der Werkstoff bereits eine progressiv
ansteigende Kennlinie hat. Die Progressivität der Seitenfedern kann jedoch noch
erhöht werden, und zwar durch besondere Formgebung und/oder schichtweisen Aufbau
der Federn aus Gummiplatten verschiedener Härte. In diesem Fall ist dann die dem
Gegenanschlag zugekehrte Gummischicht die weichere, und daran schließen sich die
relativ härteren Schichten an.
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Die Füllung der Gasfederbälge soll in an sich bekannter Weise lastabhängig
regelbar sein. Für die lotrechte Federwirkung hat das den bekannten Vorteil, daß
die Federung unabhängig vom Belastungszustand gleiches Schwingungsverhalten hat
und die Fußbodenhöhe des Fahrzeuges unabhängig vom Ladezustand konstant bleibt.
In Verbindung mit dem grundsätzlichen Erfindungsgedanken hat der Vorschlag aber
noch den zusätzlichen Vorteil, daß die Rückstellkraft bei Wiegenbewegungen zumindest
in einem wesentlichen Bereich von der Belastung abhängig ist. Die Abstützung des
Wagenkastens hat damit trotz der verwendeten Gasfedern den Vorteil mechanischer
Pendelabstützungen, ohne daß ein zusätzlicher Aufwand erforderlich ist.
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Zur Erzielung stets eindeutiger Verhältnisse kann nach einem weiteren
Erfindungsvorschlag eine Ausgleichsverbindung zwischen den beiden Federbälgen des
Drehgestells vorgesehen sein. Um ein zusätzliches federndes Gasvolumen zur Verfügung
stellen zu können und damit eine besonders weiche Feder schaffen zu können, wird
in bekannter Weise vorgeschlagen, daß Teile des Drehgestellrahmens die federnde
Gasfüllung der Federbälge vergrößern.
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Besonders wenn die Wagenkastenfederung mit dem zuletztgenannten Vorschlag
sehr weich ausgeführt ist, kann die Achsfederung relativ hart sein, so daß einfache,
billige und niedrige Achsfedern verwendet werden können.
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Zur Führung des Drehgestells sollen Längslenker zwischen Wagenkasten
und Drehgestellrahmen angeordnet sein, wobei vorzugsweise die dem Wagenkasten zugehörigen
Teile der Seitenfedern an einem vom Drehzapfen des Wagenkastens und den Lenkern
geführten Querhaupt angeordnet sein sollen. Auf jeder Abstützseite des Drehgestells
ist nur je ein Federbalg anzuordnen, dessen wirksame Fläche unter Zugrundelegung
des maximal zur Verfügung stehenden Gasdruckes so gewählt ist, daß alle vorkommenden
Kastengewichte damit abgestützt werden können. Schließlich soll jedem Gasfederbalg
eine Notabstützung des Drehgestellrahmens zugeordnet sein, die beim Platzen des
Federbalges gegenüber dem Wagenkasten wirksam wird.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen schematisch
dargestellt. Es zeigt F i g. 1 etwa die Hälfte der Seitenansicht eines Drehgestells
gemäß der Erfindung mit angedeutetem Wagenkasten, F i g. 2 einen Ausschnitt aus
der Draufsicht des gleichen Drehgestells ohne Wagenkasten und F i g. 3 die Anordnung
einer der Gasfedern des Drehgestells in größerer Darstellung im Schnitt.
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Die Radsätze 1 des Drehgestells werden durch die Federblattlenker
2 in bekannter Weise horizontal im Drehgestellrahmen 3 geführt. Die Abstützung des
Drehgestellrahmens 3 auf dem Gehäuse 4 der Radsatzlager erfolgt über Federn 5, die
entweder kleinvolumige Gummifedern oder niedrige Schraubenfedern sein können.
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In der lotrechten Quermittelebene des Drehgestells ist der Wagenkasten
6 über die Gasfedern 7 auf den Seitenträgern des Drehgestellrahmens 3 abgestützt,
wobei jedem der beiden Seitenträger eine Gasfeder 7 zugeordnet ist. Die übertragung
der Antriebs- und Bremskräfte vom Drehgestell auf den Wagenkasten 6 erfolgt über
den Drehzapfen 8 des Wagenkastens. Der am Wagenkasten 6 befestigte Drehzapfen 8
ragt um seine Längsachse drehbar, horizontal spielarm und lotrecht verschiebbar
in das Querhaupt 9 des Drehgestells. Die Enden des Querhauptes 9 sind über Längslenker
10 mit dem Drehgestellrahmen 3 verbunden. Sowohl am Drehgestellrahmen
3 als auch am Querhaupt 9 sind die Längslenker 10 räumlich beweglich
angeschlossen. An Konsolen des Querhauptes 9 sind Seitenfedern
11 aus Gummi befestigt, die unter Einschaltung eines bestimmten Abstandes
Anschlägen 12 des Drehgestellrahmens 3 gegenüberliegen.
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Jede Gasfeder ist als torusförmiger Gasfederbalg 7 ausgebildet, der
eine oben offene Rinne bildet und der außer an den Einspannwülsten keine weitere
Abstützung hat. Zur Befestigung jedes Gasfederbalges 7 an den Drehgestell-Längsträgern
ist in diesen je ein Zylinder 13 als zusätzlich tragender Teil eingesetzt. Jeder
Zylinder ist am oberen Ende mit einem Lagerring 14 versehen, auf dem der dem Drehgestell
zugehörige Einspannwulst 15 des Federbalgs 7 nach der Art schlauchloser Reifen selbstdichtend
aufsitzt. Der dem Wagenkasten 6 zugehörige im Durchmesser größere Einspannwulst
16 ist zwischen zwei Klemmringen 17 und 18 des Wagenkastens
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eingeklemmt. In der Arbeitsstellung liegen die Einspannwülste 15 und 16
symmetrisch zu der Mittellinie 8 der Feder in verschiedenen horizontalen Ebenen.
Mit Hilfe der üblichen lastabhängigen Regelung der Füllung des Gasfederbalges 7
ist gewährleistet, daß die Normallage des Gasfederbalges 7 unabhängig von der Federbelastung
eingehalten wird und daß der Federbalg stets aus der gleichen Lage ein- und ausfedert.
Gewebeaufbau und Gummibeschichtung des Balges lassen zwar wegen des Fehlens von
Abstützflächen eine Einstellung des Balges in Mittelstellung zu, erzwingen aber
im Normalzustand einen Verlauf der Balgwand im Bereich des Einspannwulstes 15, der
parallel zu der Symmetrieachse S oder nur wenig gegen die Symmetrieachse geneigt
ist im Gegensatz zu der Balgwand im Bereich des Einspannwulstes 16, wo die Balgwand
erheblich gegen die Symmetrieachse S geneigt ist.
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Das obere Ende des Zylinders 13 ist offen, so daß der im übrigen
gasdichte Zylinderinnenraum das Gasvolumen des Federbalges 7 vergrößert. An der
oberen Öffnung des Zylinders 13 befindet sich ein Anschlag als Notabstützung 19
im Falle des Platzens des Federbalges 7. Der Anschlag 19 wird zwischen Rippen 20
und einem Stempel 21 gehalten, der sich seinerseits auf einer gelochten Versteifungsplatte
22 des Zylinders 13 abstützt. Der Anschlag besteht aus
der auf dem
Stempel 21 gehaltenen Grundplatte 19 a, aus denn Gummikörper 19 b und aus der dem
Wagenkasten 6 zugekehrten Oberplatte 19 c. Starre Anschläge 23 begrenzen das Wiegenquerspiel
zwischen Wagenkasten und Drehgestell. Die Anschläge weisen in der Ansicht von oben
geneigte Teile auf, denen gegenüber die Anschläge 24 des Wagenkastens sich so befinden,
daß in der Geradeausfahrt nach beiden Seiten ein gleichgroßes Wiegenquerspiel vorliegt,
weil sich die Anschläge 24 gegenüber den zur Fahrtrichtung parallelen Teilen der
Anschläge 23 befinden, während in der Kurve das Wiegenspiel nach der Kurveninnenseite
verkleinert, nach der Kurvenaußenseite dagegen nicht vergrößert ist, weil sich der
Anschlag 24 der Kurvenaußenseite nach wie vor gegenüber dem zur Fahrtrichtung parallelen
Teil des Anschlages 23 befindet, während sich der Anschlag 24 der Kurveninnenseite
gegenüber dem nach der lotrechten Fahrzeuglängsmittelebene abgebogenen Teil des
Anschlages 23 befindet.
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In der Geradeausfahrt und bei üblichen Wiegenbewegungen ergeben für
die Wiegenquerbewegungen allein die Gasfedern die Rückstellkraft. Bei besonders
großen zulässigen Wiegenbewegungen und dann besonders in der Kurvenfahrt ergeben
die Seitenfedern 11 für die Wiegenbewegungen und die Querkomponenten der Drehbewegungen
des Drehgestells um die Längsachse des Drehzapfens 8 zusätzliche Rückstellkräfte,
während für die Längskomponenten der Drehbewegungen des Drehgestells allein die
Gasfedern eine geringe Rückstellkraft ergeben, was ohne weiteres vertretbar ist,
weil nach dem Durchfahren einer Kurve in der Hauptsache der Spurkranzdruck das Rückdrehen
des Drehgestells in seine Normallage bewirkt.
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Anspruch 1 schützt nur die Kombination der in diesem Anspruch enthaltenen
Merkmale; die Ansprüche 2 bis 10 gelten als echte Unteransprüche nur in Verbindung
mit Anspruch 1.