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Drehzapfenlager, insbesondere für Drehgestelle.
von Schienenfahrzeugen
Die -Erfindung betrifft ein Zager für einen Drehzapfen
zur drehbaren Lagerung eines Wagenkastens an einem Fahrgestell-, insbesondere dem
Fahrgestell eines Schienenfahrzeuges, mit einem Lagergehäuse, in das der Drehzapfen
eingreift und mit aus Gummi bestehende Federelementen, die den Drehzapfen gegenüber
dem Gehäuse abstützen.
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Bei Drehgeetellen mit seitlicher Abstützung müssen durch den Drehzapfen
vorwiegend in Fahrtrichtung große Kräfte (Zug- und Brems- . kräfte) zwischen Fahrzeug-Oberkasten
und Drehgestell übertragen werden. In vielen Fällen ist es aber auch erwiznscht,
daß bei Querverlagerungen des Wagenkastens gegenüber dem Drehgestell Rückstellkräfte
geeigneter Größe zwischen dem fest mit dem Wagenkasten verbundenen Drehzapfen und
dem Drehgestell vorhanden sind. Um eine i
große Lebensdauer-der Gummifedereiemente
zu erreichen, ist es von Vorteil, dem Gummi eine Druckvorspannung zu gebene so daß
euch bei-großen Verschiebungen zwischen Wagenkasten und Drehgestell im Gummi keine
oder nur geringe Zugspannungen auftrotQ. Mine Drehzapfen;Eührung soll. außerdem
so ausgebildet meinfl daß sie beim Aufoetzeii den häufig sehr ochweren Wageietenn
auf i@ :DNehgestelle
ein leichtes Einführen des Drehzapfens ermöglicht.
Weiter ist es wiznschenswert, daß beim Anheben des gesamten Fahrzeuges, z.3. eines
entgleisten Schienenfahrzeuges, die Drehgestelle durch die Lagerzapfen mit getragen
werden.
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Bekannt (Deutsche Auslegeschriften 1.187.662, 1.191.846; Deutsche
Patentschrift 966 058; Deutsche Gebrauchsmusterschrift 1.765.030) sind Drehzapfenlagerungen,
bei denen ringförmige Gummielemente verwendet werden. Diese Drehzapfenlagerungen
haben jedoch den Nach-;-teil, daß die Federkonstanten in Längs- und Querrichtung
gleich groß sind, obwohl es in der Regel erwänscht ist, in Fahrtrichtung eine härtere
Federung als quer zur Fahrtrichtung zu haben.
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Weiter sind Drehzapfenlagerungen bekannt (Deutsche Gebrauchsmusterschrift
1.802.241), bei denen die Federelemente in längs- und Querrichtung verschiedene
Federkonstanten haben. Diese Lagerungen haben jedoch den Nachteil, daß die spezifischen
Belastungen des Gummis innen und außen sehr unterschiedlich sind und die Drehzapfenlagerung
ein großes Volumen benötigt und daß das Aufsetzen des Wagenkastens schwierig ist..
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Drehzapfenlager der
eingangs genannten Gattung so auszubilden, daß die Federkonstanten in Länge- und
Querrichtung unabhängig voneinander in der gewünschten Größe gewählt werden. können.
vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sollen so beschaffen seir$ daß den
genannten, an ein . Drehzapfe..ager, gestel lten - Br,vde,nen Rech.rung a getragen
wird. .
Diele Aufgabe wi=d crindungs`ersäl3 dadurch gelöst, da.ß
die als 1-Teta.ll-::u,!l:ifede@.il c.iis@:ehilde teil ä ederele-ie-1te einen dachförmigen,
wc.a-erocht°i). ( uerochni tt haben und daß zwei '!edereleia.er_te an gege_Z-überlieJende2
Seiten des Drehz apfens so angeordnet sind, daß die S;@.rii:ietrielinie des dachförmigen
Quersclulittes parallel zur Fahrtrichtizng lieg=t. Bei einer solchen Ausbildung
des Lagers kömlen die :Digenschaften der Federelemente durch geeignete Wähl des
@snicl@-winliels des dachförmigen Querschnittes in weiten Grenzen variiert werden.
Je mehr sich der Kniclr-#-ainlcel einem ri@2liel von 18`J0 nähert, desto weiche--
wird die Feder quer zur Fahrtrichtung, da seit größer werdendem. lQ.ch-,Tinkel der
' Schubspannungsanteil bei Querbear.spruchun-`eil immer größer wird. Bei kleiner
werdendem Knich@rinkel treten hingegen auch in Querrichtung in nennenswertem Maße
Druckspannungen auf, was ein Härterwerden der Feder mit sich bringt. -Beim. erfindungsgemäßen
Zager läßt sich. für jeden Vervrendungsfall durch geeignete Nalil des Knickwinkels
ein Optimum finden, bei dem die Beanspruchung des Gummis bei in Fahrtrichtung und
bei aiuer zur Fahrtrichtung wirkenden Kräften ungefähr gleich groß ist. Man erhält
damit eine optimale Ausnutzung des Gummis und ein möglichst kleines Gummivolumen.
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Vorteilhafterweise besteht jedes Federelement aus meh=reren Schichten
mit jeweils dachförmigem Querschnitt, die durch zwischengelegte Metallbleche voneinander
getrennt sind. Ein solcher schichtweiser'Aufbau der Feder ermöglicht größere Druckspannungen
als ein dicker, zusammenhängender Gummiklotz.
Bei einer bevorzugten
Ausführungsform der Erfindung konvergieren die Flächen des Drehzapfens, an denen
die Federelemente anliegen, nach unten und die FedexAemente sind durch Einpressen
des D-1-ehzapfens zwischen die Federelemente vorgespannt. Vorzugsweise sind die
Anlageflächen am Drehzapfen eben und bilden zusammen einen sich nach unten verjüngenden
Keil. Die Vorspannung der Federelemente ist bei einer solchen Ausführungsform sehr
einfach dadurch möglich, daß der Drehzapfen zwischen die in das Gehäuse eingesetzten
Federelemente hineingezogen wird, wobei die nach unten konvergierenden Flächen des
Drehzapfens die Federelemente gegen die Gehäusewand drücken und dabei vorspannen.
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Um die Federvorspannung wählen zu können, sind vorteilhafterweise
zwischen den Federelementen und den Anlageflächen derselben am Drehzapfen auswechselbare
Beilagen angeordnet. Bei großer gewünschter Vorspannung werden dickere und bei gewünschter
kleiner Vorspannung dünnere Beilagen eingefügt.
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Um den sicheren Halt der Federelemente im Gehäuse und am Lagerzapfen
zu erzielen, können folgende Mittel vorgesehen werden. Die am Drehzapfen anliegenden
Metallplatten der Federelemente sind mit seitlichen Arretierungsleisten versehen,
die die Kanten der Anlageflächen umgreifen. Die äußeren Metallplatten der Federelemente
greifen mit ihren unteren Enden in Ausschnitte eines unteren Gehäuseabschlußdeckels
oder eines oberhalb des Abschlußdeckels angeordneten Zwischenringes ein:
Das
Gehäuse kann im Bereich der Anlage der Federelemente zylindrisch ausgebildet sein,
wobei die äußeren Metallplatten der, Federelemente eine an die hohlzylindrische
Innenseite des Lagergehäuses angepaßte konvex gewölbte Fläche haben und mittels
die Gehäusewand durchgreifenden Paßbolzen gegen Verschiebung gesichert sind. Auf
solche Weise befestigte Federelemente haben sowohl am, Gehäuse als auch am-Drehzapfen
einen sicheren Halt, wobei die äußeren Metallplatten oben durch die zur Arretierung
dienenden Paßstifte und unten durch das Eingreifen in den erwähnten Schlitz gehalten
sind.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist am unteren
Ende des Lagerzapfens ein Anschlagstück befestigt, das gegenüber dem Gehäuse bzw.
gegenüber einem fest mit dem Gehäuse verbundenen Teil, z.B.-dem Abschlußdeckel in
Fahrtrichtung ein kleineres Spiel als quer zur Fahrtrichtung hat. Mit Hilfe einer
solchen, aus nur einem. einzigen Teil bestehenden Anschlagvorrichtung kann die Bewegungsfreiheit
des Zapfens relativ zum Lagergehäuse. in beiden Hauptrichtungen (Fahrtrichtung und
Querrichtung) gewählt werden. Das Anschlagstück kann zugleich zur Begrenzung der
Ayialbewegung des Lag4rzapfens dienen und zu diesem Zweck z.B. einen Zwischenring
untergreifen, der fest mit dem Lagergehäuse verbunden ist. Dies ermöglicht das Anheben
des Drehgestelles über den Drehzapfen, da nach einem gewissen Federweg eine starre
Verbindung zwischen Drehgestell und Drehzapfen besteht.
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Das Anschlagstück kann zugleich zum Hineinziehen des Drehzapfens zwischen
die Federelement® dienen. In diesem Fall liegt es an den
unteren
Seiten der inneren Netallplatten der Federelemente an undist mittels einer Mutter,
die auf einen Gewindef ortsatz des Drehzapfens aufgeschraubt ist, gegen die Federelemente
festgezogen. Die am Gehäuse befindlichen Anschlagflächen für das Anschlagstück sind
vorteilhafterweise mit einem elastischen Werkstoff, z.B. -Gummi belegt. Dieser Gummibelag
kann beispielsweise die Form eines geschlossenen Ringes haben, der in den Gehäuseabschlußdeckel
eingelegt ist.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind zur Begrenzung
von Bewegungen des Lagerzapfens quer zur Fahrtrichtung an gegenüber 'den Federelementen
um 90o versetzten Seiten des Drehzarfens weitere Gummifederelemente angeordnet,
die bei nicht quer ausgelenktem Lagerzapfen von mit ihnen zusammenwirkenden Anschlagflächen
am Lagergehäuse einen Abstand haben. Diese Anschlagflächen sind relativ zu den Federelementen
am Lagerzapfen vorzugsweise verstellbar. Die Anschlagflächen können z.B. durch die
Stirnseiten von in jeder Lage mittels Muttern arra:etierbaren in die Gehäusewand
eingeschraubten Schrauben gebildet sein.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt
und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 einen senkrechten Längsschnitt
durch ein Drehzapfenlager gemäß der Erfindung, wobei die Schnittebene parallel zur
Fahrtrichtung liegt,
Fig.2 einen Schnitt durch das Zager nach der
Linie II-II in Fig.1, ig.@ einen Querschnitt nach Linie III-III in Fig.1 und 1ig.4
einen r.uerschn.itt nach Linie IV-IV in Fig.1.
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Die Haurotteile des Drehzapfenlagers sind ein Lagergehäuse 1, in das
der Drehzapfen 2 von oben her eingreift, Federelemente 3a, 3b, ein AnschlagstÜck
4 und ein unterer Gehäuseabschlußdeckel 5. Diese Einzelteile und ihr gegenseitiges
Zusammenwirken werden nachfolgend näher beschrieben.
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Der Drehzapfen 2 hat ein oberes zylindrisches Zentrierteil 6, das
in den striclzpuALtiert angedeuteten Wagenkasten 7 von unten her eingreift. Unterhalb
des Zentrierteiles ist als Auflage für den Wagenkasten am Drehzapfen ein Flansch
8 vorgesehen. Unterhalb des Flansches 8 ist der Drehzapfen durch einen kegelstumpfförmigen
Teil ] fortgesetzt. Unterhalb dieses kegelstumpfbrmigen Teiles 2 geht der Lagerzapfen
über einen Bund 10 in den keilförmigen Teil 11 mit den Keilflächen 12a und 12b über.
Unterhalb dieses keilförmigen Teiles befindet sich ein Zentrierzapfen 13, der sich
nach unten über ein kurzes, zylindrisches Stück 14 fortsetzt, das schließlich in
einen Gewindeteil 15 übergeht.
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Das Lagergehäuse 1 hat in seinem oberen Bereich einen Flansch 16,
mit dem er an dem strichpunktiert angedeuteten Drehgestell 17
befestigt
-ist. Der obere Teil ist im wesentlichen kegelstumpfförmig ausgebildet und umschließt
den lregelstumpfförmigen Teil 2 des Drehzapfens in einem solchen Abstand, daß-diesem
genügend Bewegungsfreiheit bleibt. Zur Abdichtung des Inneren des Lagergehäuses
gegenüber der 'Umgebung dient eine Manschette 18, die unten am. Lagergehäuse und
oben am Flansch 8 des Drehzapfens befestigt ist.
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Im unteren Bereich 19 ist das Lagergehäuse 1 im wesentlicher. zylindrisch
ausgebildet. Zum unteren Abschluß des Gehäuses dient der Deckel 5, der mittels eines
Flansches 28 auf dem Lagergehäuse aufsitzt und mittels eines zylindrischen Ansatzes
21 gegenüber dem Lagergehäuse zentriert ist.
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Die Federelemente 3a und 3b bestehen jeweils aus einer inneren Metallplatte
22, drei Gummilagen 23, 24 und 25, die durch Metallplatten 26 und 27 voneinander
getrennt sind und einer äußeren Metallplatte 28. Die innere Metallplatte 22 ist
von unten nach oben keilförmig ausgebildet, wie dies der Querschnitt nach Fig.1
zeigt,-während der Quersohnitt in waagerechter Richtung (vergl.Fig.3 ) dachförmig
ist. An den senkrechten Zö,n`sseiten sind Leisten 29, 29' angeordnet, die, wie Fig.3
zeigt, die Kanten des keilförmigen Teiles 11 des Lagerzapfens umgreifen. Die Metallplatte
28 hat an ihrer nach innen, d.h. dem Zentrum des Lagers zugewendeten Seite ebenfalls
dachförmig'gegeneinander geneigte Flächen, die eine Iegativform zu den dachförmigen
Flächen der inneren.Platte 22 bilden. Außen hat die Platte 28 eine konvexe Fläche
::U, die der Teil eineu `?ylindermantels ist und die an die lloli_Lzyli.ridi°isclic
Innenfläche 51
des Lagergehäuses 1 angepaßt ist. Zur Fixierung
der äußeren Platten 28 am Gehäuse 1 dienen Paßbolzen 46. Die einzelnen Gummilagen
23, 24 und 25 des Federelementes haben den aus Fig. 3 ersichtlichen, dachförmigen
Querschnitt. Zwischen die inneren Metallplatten 22 der Federelemente 3a, 3b urüdie
Flächen 12a, . 12b am Drehzapfen 2 sind Zwischenlagen 53a, 53b eingefügt. Diese
Zwischenlagen können entsprechend der gewünschten Federvorspannung gewählt werden.
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Unterhalb der Federelemente ist ein Zwischenring 32 angeordnet, dessen
Querschnitt aussen Fig.1 und 2 zu ersehen ist. Aus Fig.2 ist ersichtlich, das der
Zwischenring einen oberen kragenförmigen Ansatz 33 hat. Dieser Ansatz 33 ist im
Bereich der Federelemente 3a, 3b ausgeschnitten (Ausschnitte 34a, 34b in Fig.3).
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Auf dem Ansatz 13 des Drehzapfens 2 ist das Anschlagstück 4 zentriert.
Dieses Anschlagstück hat die aus dem Schnitt nach Fig.4 ersichtliche Grundrißform,
d.h. seine Breite b1 quer zur Fahrtrichtung gemessen ist größer als seine Größe
b2 in Fahrtrichtung gemessen. Das Anschlagstück 4 ist mittels eines Passtiftes 47
unverdrehbar an Lagerbolzen gehalten.
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Wie-insbesondere aus dem Querschnitt nach Fig.3 zu ersehen ist, befinden
sich an den zu den Keilflächen 12a, 12b des Drehzapfens oenkrechten Seiten 35a,
35b weit ere Federelemente 36a, 36b. Diese Federelemente bestehen ,jewells aus einer
Grundplatte 37, einer GumrnipLa-ttc 38 und einer Declcplatte 39. Die Grundplatten
37
ragen Über die Gunmiplatten 38 vor (vergl.Fig.2); die vorragenden
Teile dienen zur Befestigung am Drehzapfen mittels Schrauben 40.@ In der Wand des
Lagergehäuses 1 sind gegenüber den Federelementen 36a, 36b Anschlagschrauben 41a,
41b angeordnet. Diese Anschlagschrauben sind in die Gehäusewand eingeschraubt. Jede
Schraube hat einen vorderen Anschlagteil 42, einen Gewindeteil 43 und einen hinteren
Vierkantteil 44. Die Anschlagschrauben können in jeder Stellung mittels Muttern
45 arretiert werden.
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Beim Zusammenbau des Lagers_werden.zunächst die Federelemente 3a,
3b von unten her in das Lagergehäuse eingeschoben und dort mittels der Paßstifte
46 festgehalten. Vor dem Einpressen des Drehzapfens 2 zwischen die Federelemente
werden auf die Flächen 12a, 12b Zwischenlagen 53a, 53b geeigneter Dicke eingelegt.
Die Dicke dieser Beilagen richtet sich nach der gewünschten Vorspannung. Nun wird
der Lagerzapfen 2 von oben her eingeführt, Wobei der keilörmige Teil 11 zwischen
die Federelemente 3a, 3b gelangt, jedoch noch nicht bis zu der in den Figuren dargestellten
Lage, da die Federelemente noch nicht zusammengedrückt sind. Nun wird das Anschlagstück-4
von unten her auf den Ansatz 13 aufgeschoben und mittels der Mutter 48 gegen die
Unterseiten der inneren Metallplatten 22 gedrückt. Zuvor wurden .zwischen das Anschlagstück
4 und den Zwischenring 32 Druckstücke 50 eingefügt, die das Anschlagstück 4 während
des Festziehens der Mutter 28 am Zwischenring 32 abstützen. Diese Druckstücke werden
nach der Montage wieder entfernt. Beim Anziehen der Mutter 48 wird der keilförmige
Teil 11
fest zwischen die Federelemente 3a, 3b gezogen,-die infolge der
Keilwirkung
des Teiles 11 des Lagerzapfens nach außen gegen die Wand des Lagergehäuses gedrückt
.werden. Die Mutter 28 wird so lange angezogen, bis der Flansch 10 des Lagerzapfens
an den oberen Stirnseiten der inneren Metallplatten 22 anliegt. In dieser Stellung
sind auch die unteren Flächen der Metallplatten 22 und die Unterseite des keilförmigen
Teiles 11 biialdi` miteinander. Die Ilut ter 48 wird nun mittels eines Splintes
49 arretiert. Zum. Schluß wird der Lagerdeckel 5 aufgesetzt. Schließlich wird noch
zur JL-bdichtung des Lagerinneren die Manschette 1!8 am Bund 8 des Lagerzapfens
und am Lagergehäuse befestigt. Vor dem Einschieben des Drehzapfens wurden bereits
die Federelemente 36a, 36b an diesem befestigt.
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Das erfindungsgemäße Drehzapfenlager wirkt wie folgt. Die Fahrtrichtungen
(Vorwärtsfahrt und Rü.ckwärtsfahrt) sind in den Fig.1, , 2 und 4 durch die Doppelpfeile
F angedeutet. In Fig.2 ist die Fahrtrichtung sen'_.-recht zur Zeichenebene. Bei
in Fahrtrichtung wirkenden Kräften S,rerden die Federelemente 3a,-- 3b vor allem
auf Druck beansprucht, wobei je nach Fahrtrichtung entweder das linke Federelement
3a oder das rechte Federelement 3b beansprucht wird. Die mit Hilfe des keilförmigen;
Teiles/ erzielte Vorspannung ist jedoch so groß, daß auch das entlastete Federelement
noch unter Druck steht oder im Grenzfall drucklos wird. Bei quer zur Fahrtrichtung
wirkenden Kräften werden die Federelemente vonriegend auf Scher'ang, jedoch teilweise
auch auf Druck beansprucht. Die Druckbeanspruchung beruht auf den dachförmigen Quersclulitt
der Federelemente. Die Federkonstanten in Fahrtrichtung und euer zur 1Sahrtrichtunfkönnen
durch, geeignete Wahl des
des dachförmigen Querschnittes bestimmt
werden. Je kleiner der Winkelmist, desto höher wird der Anteil der Druckbeanspruchung
bei Querverlagerungen und desto härter wird die Feder. Bei extremen Querverschiebungen
kommt schließlich eines der I'ederelemente 36a, 36b mit der ihm zugeordneten Anschlagschraube
in Berährun g. Das mögliche iusmaß der Querverlagerung kann durch entsprechende
Einstellung der Anschlagschrauben 41a, 41b bestimmt werden.
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Das Federspiel in Fahrtrichtung ist durch die Abstände a zwischen
dem Anschlagstück 4 und dem in den Deckel eingelegten Gummiring 51 gegeben. Quer
zur Fahrtrichtung besteht zwischen den Federelementen 56a, 36b und den zugeordneten
-iinschlagschrauben 41a, 411) ein Spiel c. Nach einer Auslenkung ur--i den betrag
c legen sich die Federelemente an die Anschlagschrauben an. Das 1-nschlagstück 4
hat (verU1. t ig. ?_) vom elastischen Ring 51 einen Abstand d, der etwas mrö.ßer
ist als der Abstand c. Nach einer gewissen Zusammendrückung der Gummiplatten 38
kommt das Anschlagstück am Gummiring 51 zur Anlage, womit der Auslenkungsweg beendet
ist.
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Das Anschlagstück 4 hat die weitere Aufgabe, ein Anheben des Drehgestelles
durch Anheben des Wagenaufbaues 7 zu ermöglichen. 4ei diesem Anhebevofigang legst
sich das Anschlagstück 4 gegen den Zwischenring 32, wonach eine weitere Auslenkung
der Federelemente 3a, 3b in senkrechter Richtung nicht mehr mölch ist. Das mögliche
Federspiel zwischen dem Anschlagstück 4 und dem Zwischenring 52 ist mit e bezeichnet.