DE1941381C3 - Zweiachsiges, wiegenloses Drehgestell für Schienenfahrzeuge - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein zweiachsiges, wiegenloses Drehgestell für Schienenfahrzeuge, insbesondere für schnellfahrende Lokomotiven, mit einer Kegelneigung der Radlaufflächen größer als 1 :20 und mit kleinem Radstand im Drehgestell.

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, weil 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 150 km/h an eine Grenze, oberhalb der ein ruhiger Lauf entweder gar nicht oder nur mit einem unverhältnismäßig großen Erhaltungsaufwand erzielt werden kann.

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 der wichtigste durch die sinusförmige Bahn der Radsätze hervorgerufen wird, können, auch wenn sie nur klein sind, eine unangenehme Laufunruhe verursachen, 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 Kastenmasse nicht nennenswert verändert werden kann, werden die Querschwingungsfrequenzen ausschließlich durch die Federung bestimmt. Um dennoch eine nicht zu harte Querfederung zu ermöglichen, wurden Maßnahmen zur Erniedrigung der Sinuslauffrequenz getroffen: Der Drehgesteilradstand wurde möglichst groß gewählt, und die Radsätze wurden in Längs- und Querrichtung möglichst spielfrei und unelastisch im Rahmen gelagert, was zu aufwendigen und vielleiligen Konstruktionen führte. Weiterhin gab man den Radlaufflächen eine flachere Kegelneigung als sonst üblich (I :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 Sinuslauffrequenz ähnlich wie eine steilere Kegelneigung, die bei entsprechender Abnutzung bis 1:6 betragen kann; d.h. nach einer verhältnismäßig kurzen Laufzeit stieg die Sinuslauffrequenz an, und man mußte, sollte der ruhige Lauf erhalten bleiben, dann den Radreifenumriß schon wieder durch Abdrehen berichtigen. Auch das Beibehalten der Spielarmut der Radsatzführung steigerte den Wartungsaufwand. Vor allem war es mit diesen Maßnahmen aber auch nicht möglich, über eine gewisse Grenzgeschwindigkeit hinauszukommen.

Um diesen Schwierigkeiten zu entgehen, ist bereits angeregt worden, die Eigenfrequenz so tief zu legen,

«5 daß die Resonanz mit den Erregerfrequenzen schon bei sehr niedrigen Fahrgeschwindigkeiten eintritt, bei denen ihre Auswirkung nur gering ist. Bei steigender Geschwindigkeit tritt dann eine zunehmende Beruhigung des Systems ein (sogenannte »überkritische

so 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.

Es sind bereits Maßnahmen angeregt worden (schweizerische Patentschrift 4 71698), durch deren einzelne oder gleichzeitige Anwendung auch bei

bo Drehgestellen ein überkritischer Lauf des Fahrzeuges ermöglicht werden soll. Diese Maßnahmen, die teils auf die Herabsetzung der Querschwingungseigenfrequenz des Fahrzeuges, teils auf die Erhöhung der Sinuslauffrequenz der Radsätze hinzielen, sind wie im folgenden

1.5 gezeigt wird, teils unzureichend, teils sehr aufwendig.

Zur Verminderung der Quersch.vingungseigenfrequenz der Brücke wird in der Druckschrift angeregt, eine Wiege der gebrciuchlichen Bauart mit längeren

Pendeln als sonst üblich auszurüsten. Abgesehen davon, daß sich bei langen Pendeln mit entsprechend kleinen Rückstellkräften die Reibung in den Pendelgelenken sehr störend auswirkt, ist diese Bauart auch schwer, teuer und wartungsbedürftig. Bei Triebdrebgestellen ist es weiterhin nachteilig, daß die Wiege, und ganz besonders eine solche mit langen Pendeln, viel Raum einnimmt, der für das Durchführen von Gelenkwellen oder für Antriebselektromotoren mit ihren Lüftungskanälen gebraucht wird. Auch führt diese Wiegenkonstruktion zu einer hochliegenden Drehzapfcnanlenkung, so daß bei hohen Zugkräften unerwünschte Verschiebungen in der Lastverteilung auf die einzelnen Radsätze eintreten. Diese Maßnahme kann also nicht befriedigen.

Zur Erhöhung der Sinuslauffrequenz, die gleichbedeulend mit einer Verkürzung der Wellenlänge der Radsatzbahn ist, bildet die Vergrößerung der Kegelneigung der Radiauffläche ein bekanntes Mittel. Da aber einer Vergrößerung der Kegelneigung dadurch Grenzen gesetzt sind, daß die Schienen üblicherweise mit einer Neigung I : 20 eingebaut werden und bei zu großen Kegelwinkeln der Radlaufflächen die Schmiegung zwischen Radlauffläche und Schienenkopf zu schlecht würde (erhöhte Abnutzung), empfiehlt die Druckschrift zur weiteren Verkürzung der Sinuswellenlänge die Anwendung eines möglichst kleinen Drehgestell-Radstandes. Bei spielarm im Rahmen gelagerten Radsätzen vergröüei; Mch nämlich die Wellenlänge der Sinusbahn mit dem Radstand im Vergleich zu der von einem freien Radsatz aufgerollten Wellenlänge. Die jo durch Verkleinerung des Radstandes erreichbare Verkürzung der Wellenlänge ist indessen gering, besonders bei Triebfahrzeugen, bei denen die Unterbringung der Antriebsorgane einer Verkleinerung der Radständc enge Grenzen setzt. Auch die in der Druckschrift empfohlene Teilmaßnahme, den Ausdrehwiderstand des Drehgestelles durch Abstützung der Brücke auf das Drehgestell über einen Rollenkranz oder über Bronze- oder Kunststoffplatten, vorzugsweise im ölbad bei einem Abstand der Platten von weniger als 2 m voneinander, klein zu halten, ist wenig wirksam, denn der Einfluß des Ausdrehwiderstandes auf die Wellenlänge ist an sich schon klein, und zudem vermindern die vorgeschlagenen Maßnahmen den Ausdrehwiderstand insofern nur geringfügig, als er sowohl beim Roüenkranz als auch bei Gleitplatten schon bei den kleinen, beim Sinuslauf in Frage kommenden Drehgestellausschlägen von weniger als 0,004 rad (0,23°) seinen vollen Ausdrehwiderstand besitzt. Zudem ist der Bauaufwand nach dieser Anregung groß, und es werden Bauteile benutzt, die der Abnutzung unterliegen und einer ständigen Wartung bedürfen. Die Wirkung des kleinen Radstandes und des kleinen Ausdrehwiderstandes des Drehgestelles ist in Verbindung mit den Merkmalen der Erfindung, wie weiter unten gezeigt wird, anderer Art als bei der genannten Druckschrift.

Nach dem bisher Gesagten liegt die Aufgabe der Erfindung nun in der Ausbildung von Drehgestellen für schnellfahrende Schienenfahrzeuge, insbesondere w) Triebfahrzeuge, welche bei einfacher und wartungsarmer Bauart einen stabilen Fahrzeuglauf bei Höchstgeschwindigkeiten gewährleisten.

Zur Lösung der Aufgabe wird ebenfalls von der bekannten Maßnahme ausgegangen, die Sintislauffre- ir> quenz durch Verwendung eines großen Kegelwinkels der Radlaufflächen hinaufzusetzen. Auch eine Beschränkung des Radstandes erweis¹ sich als zweckmäßig.

jedoch aus anderen Gründen als bei derjenigen nach der besprochenen schweizerischen Druckschrift. Diese Kombination zweier bekannter Merkmale wird zur Lösung der technischen Aufgabe mit drei weiteren, für sich ebenfalls bekannten Merkmalen kombiniert, und zwar sind diese Merkmale:

a) Gleitstücklose Wagenkastenabstützung über Schraubenfedern, die alle Horizontalbewegungen zwischen Drehgestellrahmen und Wagenkasten aufnehmen, wobei deren obere und/oder untere Federteller mittels eines elastischen Stützlagers in Ausdrehrichtung des Drehgestelles neigbur gelagert sind, während die Neigbarkeit senkrecht zur Fahrtrichtung ganz vermieden wird.

b) Radsatzführung und -federung gegenüber dem Drehgestellrahmen durch beiderseitig des Radsatziagergehäuses paarweise angeordnete und zur Senkrechten in einem Winkel zwischen 0.11 und 0,26 rad (etwa b und 15") geneigte dachförmige Gummi-Winkelschichtfedern. die neben der senkrechten Federung auch die elastische Führung des Radsatzes in den beiden Horizontalrichtungen übernehmen, und zwar in der Fahrtrichtung härter als quer zur Fahrtrichtung.

c) Geringe hydraulische, auf jeden Fall reibungsfreie Dämpfung der Querbewegungen des Wagenkastens gegenüber dem Drehgestellrahmen.

Folgende Vorteile lassen sich mit der Erfindung erzielen:

Mit dem Merkmal a): Die Wagenkastenabstützung 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 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 Wagenkastens zwar ebenfalls eine weiche Federung erwünscht, doch werden die notwendigen Rückstellkräfte nach unten hin durch Federn begrenzt, die in der Lage sein müssen, bei der Bogenfahrt Fliehkräfte mit Federwegen aufzunehmen, die noch keine empfindlichen Breiteneinschränkungen des Fahrzeuges e^rfordern. Dabei ergibt sich in Querrichtung eine härtere Federung als in Längsrichtung, die sich nach dem Merkmal a) verwirklichen läßt.

Mit dem Merkmal b): Um eine Streckung der mit der größeren Kegelneigung der Radlaufflächen erreichbaren Klingeischen Sinuswellenlänge vollständig zu vermeiden, sieht Merkmal b) eine auch in den horizontalen Richtungen elastische Lagerung der Radsätze vor, die diesen ein vom Rahmen ungehindertes Ausrollen ihrer Sinusbahn erlaubt.

Bei Triebdrehgestellen, bei denen größere Zugkräfte über die Radsatzführungen zu übertragen sind, muß die elastische Nachgiebigkeit der Radsatzführungen in Fahrzeuglängsrichtung eng begrenzt werden. Dies ist bei Rc Jsatziührungcn und -federungcn gemäß Merkmal b) unter Wahrung einer weichen Querfederung ebenfalls möglich. In diesem Fall kommt das freie Ausrollen der Sinusbahn im wesentlichen durch eine

elastische Querverschiebung der Radsätze gegen den Rahmen in Verbindung mit leichten Wendebewegungen des Drehgestellrahmens zustande. Der vorausgesetzte kleine Radstand im Drehgestell verringert hier die Größe der erforderlichen periodischen Querbewegungen der Radsätze gegen den Rahmen und gestattet damit (bei einer durch den Reibschluß zwischen Rad und Schiene gegebenen zulässigen Größe der beim Sinuslauf auftretenden Querkräfte) die Anwendung einer etwas härteren Querfederung der Radsatzführungen, so daß gelegentlich harte Querstöße aus Fahrbahnunsletigkeiten oder Fliehkräfte mit einem ausreichend kleinen Querfederweg der Radsatzführung aufgenommen werden können. — Die beim Sinuslauf mit längssteifen Radsatzfülirungen auftretenden Wendebewegungen des Drehgestelles mit Winkelausschlägen in der Größenordnung von 0,00! rad (0,057°) werden von der Wagenkastenabstützung nach Merkmal a) nicht behindert, da deren Rückstellkräfte bei diesen kleinen Ausschlägen praktisch gleich Null bleiben. Die Wendebewegungen des Drehgestelles verursachen auch keine Abnutzung der Wagenkastenabstützung. Die sonst bekannten Vorzüge der Radsatzfederung und -führung gemäß dem Merkmal b), wie Ausschaltung von Reibverschleiß und Schmierung sowie weicher Einlauf in den Bogen, kommen auch hier zum Tragen.

Mit dem Merkmal c): 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 Wagenkastens gegen das Drehgestell gemäß Merkmal a) ohnehin praktisch reibungsfrei sind.

Durch die gleichzeitige Anwendung der Merkmale a) bis c) in Verbindung mit einem großen Kegelwinkel der Radlauffläche und einem kleinen Radstand entsteht ein für höchste Geschwindigkeiten geeignetes Drehgestell von unübertrefflicher Einfachheit im Aufbau. Es ist nicht nur in der Beschaffung, sondern auch bei weitgehender Vermeidung von Verschleißteilen in der Unterhaltung billig. Auch die Laufleistungen bis zum Fälligwerden einer Radprofil-Erneuerung sind groß. Die einzelnen Bauelemente dieses Drehgestelles sind bereits erprobt und bringen daher kein Risiko mit sich.

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

An Hand der Zeichnungen wird als Beispiel die Ausführung des Drehgestelles für eine schnelle Brennkraftlokomotive beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 die Seitenansicht des Drehgestelles,

F i g. 2 einen Querschnitt durch das Drehgestell nach der Linie II-II in Fig. 1,

F i g. 3 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 Ausschlagbegrcnzungsvorrichtung4 in Berührung. In Fahrzeuglängsrichtung ist das Drehzapfenlager 3 zur Übertragung dei Zug- und Bremskräfte zwischen dem Wagenkasten 7 und dem Drehgestellrahmen t spielfrei eingepaßt. In lotrechter Richtung ist der mittels eines Drehzapfenbockcs 6 an dem Wagenkasten 7 befestigte Drehzapfcr 5 im Lager 3 frei beweglich, so daß er an der Lastübertragung unbeteiligt bleibt. Die Kastenlast wird durch die Schraubenfedern 12 auf die Konsolen 14 des Drehgestellrahmens 1 übertragen. Zwischen den Schraubenfedern 12 und den Konsolen 14 ist in an sich bekannter Weise ein zylindrisches Gummigelcnklager als Stützlager 13 eingeschaltet, das der Schraubenfeder in Fahrzeuglängsrichtung ein Ausbiegen gestattet, bei dem die Federmittellinie ohne Wendepunkt bleibt und wobei sehr kleine Rückstellkräftc entstehen. Quer zur Fahrzeugrichtung läßt das Stützlager 13 nur sehr kleine Neigungswinkel zu, so daß sich die Mittellinie der Schraubenfeder 12 bei Querbewegung des Wagenkastens 7 gegen das Drehgestell S-förmig biegen muß wobei größere Rückstellkräfte entstehen. Die Kennlinie der beiden Schraubenfedern 12 ist so abgestimmt, daG sie bei der Querauslenkung um $> zusammen die Rückstellkraft -/^₁- aufbringen, entsprechend der züge-

J-I'

lassenen Fliehbeschleunigung von 0,858 m/s. Hierir bedeutet G das Gewicht des Wagenkastens. Damit isi die loseste Kopplung zwischen Wagenkasten 7 unc Drehgestellrahmen 1 verwirklicht, die 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 15 zwischen dem Drehzapfenbock 6 und dem Drehgestellrahmen 1 eingebaut werden. In vielen Fällen werden sie indessen entbehrlich sein.

Die Radsätze, welche mittels der Gelenkwellen 8 und 9 in F i g. 3 (nur durch ihre Mittellinien dargestellt) sowie der Radsatzgetriebe 10 und 11 angetrieben werden, sind über die Radsatzlagergehäuse 18 und die Gummi-Winkelschichtfedern 17 im Drehgestellrahmen 1 geführt Die Winkelschichtfedern 17, die gleichzeitig der lotrechten Abfederung des Drehgestellrahmens 1 gegen die Radsatzlagergehäuse 18 dienen, sind -o bemessen daß sie in Fahrzeug'ängsrichtung sehr hart federn, in Fahrzeugquerrichtung 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 Querverschiebungen der Radsätze ermöglicht

Die Umrisse der Laufflächen 19 sind nach einem an

du sich bekannten Profil abgedreht, das sich dem Abnutzungsprofil nähert und auf den Sinuslauf wie ein solches mit großem Kegelwinkel einwirkt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Zweiachsiges, wiegenloses Drehgestell für Schienenfahrzeuge, insbesondere für schnellfahrende Lokomotiven, mit einer Kegelneigung der Radlaufflächen größer als 1 :20 und mit kleinem Radstand im Drehgestell, gekennzeichnet durch die Kombination folgender, für sich bekannter Merkmale:

   a) Gleitstücklose Wagenkastenabstützung über Schraubenfedern (12), die alle Horizonialbewegungen zwischen Drehgestellrahmen (1) und Wagenkasten (7) aufnehmen, wobei deren obere und/oder untere Federteller mit'els eines elastischen Stützlagers (13) in Ausdrehrichtung des Drehgestells neigbar gelagert sind, während die Neigbarkeit senkrecht zur Fahrtrichtung ganz vermieden wird.

   b) Radsatzführung und -federung gegenüber dem Drehgestellrahmen (1) durch beiderseitig des Radsatzlagergehäuses (18) paarweise angeordnete und zur Senkrechten in einem Winkel zwischen 0,11 und 0,26 rad geneigte, dachförmige Gummi-Winkelschichtfedern (17), die neben der senkrechten Federung auch die elastische Führung des Radsatzes (16) in den beiden Hori/onlalrichtungen übernehmen, und zwar in der Fahrtrichtung härter als quer zur Fahrtrichtung.

   c) Geringe hydraulische, auf jeden Fall reibungsfreie Dämpfung (Schwingungsdämpfer 15) der Querbewegungen des Wagenkastens (7) gegenüber dem Drehgestellrahmen (1).