DE1941381A1 - Zweiachsiges wiegenloses Drehgestell fuer Schienenfahrzeuge - Google Patents

Description

Atlas-MaK Maschinenbau GmbH Kiel-Friedrichsort, den 30. Juli 1969

F. 722

Zweiachsiges wiegenloses Drehgestell für Schienenfahrzeuge

Die Erfindung betrifft ein zweiachsiges, wiegenloses Drehgestell für Schienenfahrzeuge, insbesondere für schnellfahrende Lokomotiven.

Bei Schienenfahrzeugen für sehr hohe Fahrgeschwindigkeiten müssen besondere Maßnahmen getroffen werden, um einen ruhigen Lauf sicherzustellen. In senkrechter Richtung läßt sich die erforderliche Laufruhe auch bei künftigen Steigerungen der Geschwindigkeit mit den bekannten Drehgestellen erreichen, da die Fahrbahnstöße bei ihnen durch die Hebelwirkung halbiert werden und die doppelte Federung Radsatz/Drehgestellrahmen und Drehgestellrahmen/Kasten ermöglicht, die senkrechten Beschleunigungen niedrig zu halten. Bezüglich der waagerechten Laufruhe gelangen die bekannten Drehgestelle bei Geschwindigkeiten von über etwa 150 km/h an eine Grenze, oberhalb der der ruhige Lauf entweder gar nicht mehr oder nur mit einem unverhältnismäßig großen Erhaltungsaufwand erzielt werden kann.

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Waagerechte Laufunruhe wird hervorgerufen:

a durch unregelmäßige Einzelstöße in Querrichtung* b durch periodische Störimpulse.

Die Milderung der Einzelstöße verlangt eine möglichst weiche Querfederung zwischen Radsatz und Drehgestellrahmen und vor allem zwischen Drehgestellrahmen und Kasten.

Die periodischen Querimpulse, von denen die sinusförmige Bahn

•der Radsätze der Wichtigste ist, können, auch wenn sie nur klein sind, eine unangenehme Laufunruhe hervorrufen, sofern, ihre Frequenz sich der Eigenfrequenz der Fahrzeugquerfederung nähert. Fast alle periodischen Querimpulse ändern ihre Frequenz proportional oder annähernd proportional mit der Fahrgeschwindigkeit, durchlaufen im Betrieb also alle Frequenzen von null bis zu einem Höchstwert.Deshalb wurden die Drehgestelle bisher so gebaut, daß ihre Eigenfrequenzen, die durch Querimpulse angeregt werden können, (Schlingern, Wanken und Schütteln) höher als die höchsten Erregerfrequenzen, insbesondere höher als die Sinuslauffrequenz, liegen. (Sogenannte "unterkritische" Auslegung). Damit konnte aber die Querfederung nicht so weich, ausgelegt werden, wie es für die Aufnahme der Einzelstöße wünschenswert gewesen wäre. Da nämlich die Kasten-Masse nicht nennenswert verändert werden kann, werden die Querschwingungsfrequenzen ausschließlich durch

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die Federung bestimmt. Um dennoch eine nicht zu harte Querfederung zu ermöglichen, wurden Maßnahmen zur Erniedrigung der Sinuslauf -Frequenz getroffen: Der Drehgesteliradstand wurde möglichst groß gewählt und die Radsätze in Längs- und Querrichtung möglichst spielfrei und unelastisch im Rahmen gelagert, was zu aufwendigen und vielteiligen Konstruktionen führte. Weiterhin gab man den Radlaufflächen eine flachere Kegelneigung als sonst üblich (1:40 statt 1:20). Die sogenannte "Aushöhlungslinse", die bei der Abnutzung des Radreifens im Betrieb entsteht und die bei der nicht zur Schienenneigung 1:20 passenden Kegelneigung besonders schnell fortschreitet, wirkt indessen bezüglich der Sinuslauf-Frequenz ähnlich wie eine steilere Kegelneigung, die bei entsprechender Abnutzung bis 1:6 betragen kann; d.h. nach einer verhältnismäßig kurzen Laufzeit stieg die Sinuslauf-Frequenz an und man mußte, sollte der ruhige Lauf erhalten bleiben, dann den Radreifenumriß schon wieder durch Abdrehen berichtigen. Auch die Erhaltung der Spielarmut der Radsatzführung steigerte den Unterhaltungsaufwand. Vor allem war es mit diesen Maßnahmen aber auch nicht möglich, über eine gewisse Grenzgeschwindigkeit', hinauszukommen.

Um diesen Schwierigkeiten zu entgehen, ist bereits vorgeschlagen worden, die Eigenfrequenz so tief zu legen, daß die Resonanz mit den Erregerfrequenzen schon bei sehr niedrigen Fahrgeschwindigkeiten eintritt, bei denen ihre Auswirkung nur gering ist.

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Bei steigender Geschwindigkeit tritt dann eine zunehmende Beruhigung des Systems ein (sog. "übörkritische Auslegung"). Dieser Weg ist bei zweiachsigen Güterwagen schon seit längerer Zeit mit Erfolg beschritten worden. Die dort getroffenen Maßnahmen lassen sich aber nicht ohne Weiteres auf Drehgestelle übertragen, insbesondere nicht auf Triebdrehgestelle, wenn diese, wie bei Lokomotiven, große Zugkräfte zu übertragen haben. Auch sonst sind keine einfachen konstruktiven Lösungen für überkritisch laufende ' Lokomotivdrehgestelle bekannt geworden.

Aufgabe der Erfindung ist es demnach, efhen einfachen Weg für die konstruktive Ausbildung überkritisch laufender Drehgestelle, insbesondere solcher für Triebfahrzeuge, aufzuzeigen. Dabei sind bereits erprobte Bauelemente zu bevorzugen.

Die Lösung der Aufgabe wurde in der Kombination folgender, je für sich bekannter Maßnahmen gefunden:

k a) Gleitstücklose Kastenabstützung über Schraubenfedern, die alle Horizontalbewegungen zwischen Drehgestell und Kasten aufnehmen, wobei deren obere und/oder untere Federteller mittels eines elastischen Stützlagers ini Ausdrehrichtung des Drehgestells neigbar gelagert sind, während die Neigbarkeit senkrecht zur Fahrtrichtung ganz oder nahezu ganz vermieden wird.

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b) Umriß der Radlaufflächen mit einer steiler als 1 : 20 ausgeführten Kegelneigung.

c) Radsatzführung und -federung gegenüber dem Drehgestellrahmen durch beidseitig des Radsatzlagergehäuses paarweise angeordnete und zur Senkrechten in einem Winkel zwischen 6° und 15° geneigte dachförmige Gummischichtfedern, die neben der senkrechten Federung den Radsatz auch in den beiden Horizontalrichtungen elastisch führen, und zwar in Fahrtrichtung härter als quer zur Fahrtrichtung.

d) Relativ kleiner Radstand im Drehgestell.

e) Geringe hydraulische, auf Jeden Fall reibungsfreie Dämpfung der Querbewegungen des Kastens gegenüber dem Drehgestell.

Zu Merkmal a) Die Kastenabstützung nach diesem Merkmal gestattet auf einfachste Weise und unter Vermeidung reibender und dem Verschleiß unterworfener Bauteile eine elastische Aufnahme der waagerechten Relativbewegungen zwischen Drehgestell und Brücke, wobei in den beiden Hauptrichtungen längs und quer zur Fahrzeuglängsachse verschieden steile Federkennlinien erzielt werden können. Damit können die Rückstellkräfte in Fahrzeuglängsrichtung sehr klein gehalten und ein leichtes Ausdrehen der Drehgestelle

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ermöglicht werden, so daß sie den Bewegungen der Radsätze beim Sinuslauf ungehindert folgen können. In Querrichtung wäre im Interesse niedriger Eigenfrequenzen für das Wanken und Querschwingen sowie für das Schlingern des Kastens zwar ebenfalls eine weiche Federung erwünscht, doch werden die notwendigen Ruckstellkräfte nach unten hin dadurch begrenzt, daß sie in der Lage sein müssen, die Fliehkraft bei der Bogenfahrt mit Federwegen k aufzunehmen, die noch keine empfindlichen Breiteneinschränkungen •des Fahrzeuges verursachen. Dabei ergibt sich in Querrichtung eine härtere Federung, als sie in Längsrichtung erwünscht ist, die sich nach dem Merkmal a) verwirklichen läßt.

Zu Merkmal b) Da, wie ausgeführt wurde, die Querfederung des Kastens gegen das Drehgestell nicht beliebig weich ausgeführt werden kann und bei Vergrößerung der Kastenmasse verhältnisgleich mit dieser härter werden müßte, läßt sich eine gewisse, von der zugestandenen Breiteneinschränkung des Kastens abhängige Eigenfrequenz des Kastens nicht unterschreiten. Um dennoch zu niedrigen kritischen Geschwindigkeiten zu gelangen, muß die Erregerfrequenz schon bei kleinen Fahrgeschwindigkeiten entsprechend hoch sein, das heißt: die Wellenlänge der Sinusbahn der Radsätze muß entsprechend verkürzt werden. Dies geschieht in erster Linie durch das Merkmal b), also der Anwendung eines Radlaufflächenprofils mit entsprechend steilem Kegelwinkel. Dabei wird gleichzeitig der Vorteil gewonnen, daß bei Abnutzung der Laufflächen

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(mit weiterer Verkürzung der Wellenlänge) die Laufruhe nicht wie bei untericri ti sehen Laufwerken verschlechtert, sondern allenfalls noch weiter"verbessert wird. Dieser Vorteil wirkt sich gerade bei schnellen Fahrzeugen mit großen täglichen Laufwegen stark aud, denn er ermöglicht eine wesentliche Vergrößerung der Laufstrecke, nach der eine Berichtigung der Radprofile notwendig wird.

Zu Merkmal c) Um die Verkürzung der Wellenlänge nach Merkmal b) voll zur Auswirkung zu bringen, muß auch eine Streckung der Wellenlänge durch starre Lagerung der Radsätze im Rahmen vermieden werden. Dies geschieht ngteh dem Mörkmal c) auf äußerst einfache Weise durch eine in waagerechter Richtung elastische Radsatzführung, die es dem Radsatz gestattet, seine Sinusbahn wie ein freier Radsatz auszurollen. Da aber die Übertragung der Bremskräfte und bei Triebfahrzeugen vor allem auch der Zugkräfte über die Radsatzführung eine größere Nachgiebigkeit derselben i;.· Fahrzeuglängsrichtung verbietet, wird das freie Ausrollen d«r Sinusbahn in erster Linie durch die Querbeweglichkeit der Radsätze gegen den Drehgestellrahmen unter Seichten Wendebeuegung^r, des letzteren ermöglicht, die gemäß dem Merkmal a) nicht bei" in dert werden.

Daneben bringt die Radsatzführung gemäß Merkmal c) noch ihre sonst bekannten Vorzüge: Vermeidung von Reibverschlfciß und weicher Einlauf in den Bogen mit sich.

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Zu Merkmal d) Die zum freien Ausrollen der Sinusbahn erforderlichen Querverschiebungen der Radsätze gegen den Drehgestellrahmen werden umso geringer je kleiner der Radstand im Drehgestell ist. Durch einen kleinen Drehgestellradstand werden also die Rückstellkräfte der Radsatzführungen vermindert. Andererseits ist der kleine Radstand ohne schädlichen Einfluß auf die Laufruhe, da sich die Radsätze bei überkritischem Lauf selbst im Gleise zentrieren

Zu Merkmal e) Die Selbstberuhigung der Brücke bei überkritischen Geschwindigkeiten wird um so besser, je geringer die Dämpfung ist. Sie wird deshalb lediglich in dem Maße vorgesehen, das für das sichere Durchfahren der Resonanzgeschwindigkeit notwendig ist. Die Verwendung linearer, reibungsfreier Dämpfer läßt die Dämpfung bei kleinen Amplituden ,wie sie im überkritischen Geschwindigkeitsbereich vorkommen, in ihrer Wirkung zurücktreten, ) zumal die Querbewegungen des Kastens gegen das Drehgestell gernäß Merkmal ä) ohnehin praktisch reibungsfrei sind.

Durch die gleichzeitige Anwendung der Merkmale a) bis e) entsteht also, wie man sieht, ein für höchste Geschwindigkeiten geeignete.-Drehgestell von unübertrefflicher Einfachheit im Aufbau.Ec ist nicht nur in der Beschaffung, sondern auch bei weitgehender Vermeidung von Verschleißteilen, billig. Auch die Laufleistungen bis zum Fälligwerden einer Radprofil-Berichtigung sind groß. Die

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einzelnen Bauelemente dieses Drehgestelles sind bereits erprobt und bringen kein Risiko mit sich.

An Hand der Abbildungen wird als Beispiel die erfindungsgemäße Ausführung des Drehgestelles für eine schnelle Brennkraftlokomotive beschrieben. Bs zeigen:

Abb. 1 die Seitenansicht des Drehgestelles, Abb. 2 einen Querschnitt durch das Drehgestell nach der

Linie II - II in Abb. 1,
Abb. 5 eine Draufsicht auf das Drehgestell.

Der Drehgestellrahmen 1 trägt einen Mittelquerträger 2, in welchem das Drehzapfenlager 3 in bekannter Weise querverschiebbar gelagert ist. Nach einer Querverschiebung um den Weg s aus der Mittellage kommt das Drehzapfenlager mit der Ausschlagbegrenzungsvorrichtung 4 in Berührung. In Fahrzeuglängsrichtung ist das Drehzapfenlager j5 zur Übertragung der Zug- und Bremskräfte zwischen dem Kasten 7 und dem Drehgestellrahmen 1 spielfrei eingepaßt. In lotrechter Richtung ist der mittels eines Drehzapfenbockes 6 an dem Kasten 7 befestigte Drehzapfen 5 im Lager 3 frei beweglich, äo daß er an der Lastübertragung unbeteiligt bleibt. Die Kastenlfcst wird durch die Schraubenfedern 12 auf die Konsolen 14 des Drehgestellrahmens I übertragen. Zwischen den

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Schraubenfedern 12 und den Konsolen Ik ist in an stich bekannter Weise ein zylindrisches Gummi-Gelenklager 13 eingeschaltet, das der Schraubenfeder in Fahrzeuglängsriehtung ein Ausbiegen gestattet, bei dem die Federmittellinie ohne Wendepunkt bleibt, wobei sehr kleine Rückstellkräfte entstehen. Quer zur Fahrzeugrichtung läßt das Lager 13 nur sehr kleine Neigungswinkel zu, so daß sich die Mittellinie der Schraubenfeder 12 bei Querbewegung des Kastens 7 gegen das Drehgestell 1 S-förmig biegen muß, wobei größere Rückstellkräfte entstehen. Die Kennlinie der beiden Schraubenfedern 12 ist so abgestimmt, daß sie bei der Querauslenkung um s zusammen etwa die Rückstellkraft _ G _{>i n}

5,71 aufbringen, entsprechend der zugelassenen Fliehbeschleunigung

, von 0,858 m/s. Hierin bedeutet G das Gewicht des Kastens. Damit ist die loseste Kopplung zwischen Kasten 7 und Drehgestellrahmen verwirklicht, die praktisch noch tragbar ist; gleichzeitig ist der Ausdrehwiderstand des Drehgestelles auf ein Minimum reduziert. Sofern es für das Durchfahren der kritischen Geschwindigkeit erforderlich ist, können hydraulische Schwingungsdämpfer I5 zwischen dem Drehzapfenbock 6 und dem Drehgestellrahmen 1 eingebaut werden. In" vielen Fällen werden sie indessen entbehrlich sein.

Die Radsätze, welche mittels der Gelenkwellen 9 und 8 in Abb. ( nur durch ihre Mittellinien dargestellt)sowie der Radsatzgetriebe 10 und 11 angetrieben werden, sind über die Lager 18 und die Gummi-Winkelschichtfedern 17 im Drehgestellrahmen 1

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geführt:.- Die.WinkelscMentfedern 17* die gleichzeitig der lotrechten Abfederung; ,des .Drehgestellrahmens 1 gegen die Radsatzlager .1:8 dienen:, sind so bemessen, daß sie in Fahrzeuglängsrichtung sehr hart federn,, in Faiirzeugquerri chtung dagegen unter den größten normalerweise auftretenden Lagerquerkräften einen Federweg von etwa 5 mm hergeben. Da nur ein Teil dieses Weges zur Ermöglichung des -freien Sinuslaufes ausgenutzt werden kann, ist der Radstand a im Drehgestell relativ klein bemessen. Dadurch wird: ein freies Ausrollen der Sinusbahn bereits bei kleinen Ouerverschiebungen der Radsätze ermöglicht. Außerdem führt der kleiue Radstand a zu einer gedrungenen Bauart .des Drehgestelles, bei der die Überhänge der Brücke über die Drehzapfen .klein werden. .

Die Umrisse der Laufflächen 19 sind nach einem an sich bekannten Profil abgedreht, das sich dem Abnutzungsprofil nähert,und auf den Sinuslauf wie ein solches mit großem Kegelwinkel einwirkt; dadurch wird auch eine verhältnismäßig große KlingeJ 'sehe Sinn.. lauf-Frequenz erreicht. Diese Wirkung wird durch die -Wahl .niel·;. zu großer Raddurchmesser unterstützt.

Alles in allem wird durch dje erfindungsgemäßen Maßnahmen bei einer äußerst einfachen Bauweise eine niedrige Eigenfrequenz und eine hohe Erregerfrequenz und damit der angestrebte üborkritische Lauf der Drehgestelle erreicht, der die Laufruhe des F:la zeuges bei beliebigen Steigerungen der Fahrgeschwindigkeit gewährleistet.

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Claims (1)

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   P ate η ta η s ρ r u c h

   Zweiachsiges, wiegenlases Drehgestell für Schienenfahrzeuge, insbesondere für schnellfahrende Lokomotiven, gekennzeichnet ™ durch die Kombination folgender, je für sich bekannter -,.-j Merkmale:

   a) Gleitstücklose Kastenabstützung über Schraubenfedern (12), die alle Horizontalbewegungen zwischen Drehgestell_; (4) und Kasten (7) aufnehmen, wobei deren obere und/oder untere Federteller mittels eines elastischen Stützlagers, (15)

   in Ausdrehrichtung des Drehgestells neigbar gelagert sind, während die Neigbarkeit senkrecht zur Fahrtrichtung ^u.v. oder nahezu ganz vermieden wird.

   b) Umriß der Radlaufflächen (19) mit einer steiler als 1 : 20 ausgeführten Kegelneigung.

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   c) Radsatzfiihrung und -federung gegenüber dem Drehgestellrahmen (1) durch beidseitig des Radsatzlagergehäuses (18) paarweise angeordnete und zur Senkrechten in einem Winkel zwischen 6° und 15° geneigte dachförmige Gummischichtfedern (17).» die neben der senkrechten Federung den Radsatz (16) auch in den beiden Horizontalrichtungen elastisch führen, und zwar in Fahrtrichtung härter als quer zur zur Fahrtrichtung.

   d) Relativ kleine?Radstand (a) im Drehgestell.

   e) Geringe hydraulische, auf jeden .Fall reibungsfreie Dämpfung der Querbewegungen des Kastens (7) gegenüber dem Drehgestell (1).

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   c) Radsatzführung und -federung gegenüber dem Drehgestellrahmen (1) durch beidseitig des Radsatzlagergehäuses (18) paarweise angeordnete und zur Senkrechten in einem Winkel zwischen 6° und 15° geneigte dachförmige Gummischientfedern (17)* die neben der senkrechten Federung den Radsatz (16) auch in den beiden Horizontalrichtungen elastisch

   ™ führen, und zwar in Fahrtrichtung härter als quer zur zur Fahrtrichtung.

   d) Relativ kleiner Radstand (a) im Drehgestell.

   e) Geringe hydraulische, auf jeden Fall reibungsfreie Dämpfung der Querbewegungen des Kastens (7) gegenüber dem Drehgestell (1). .

   IMSI