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Dreiachsiges Drehgestell für Schienenfahrzeuge Die Erfindung betrifft
ein dreiachsiges Drehgestell für Schienenfahrzeuge, insbesondere solche, die mit
höchsten Geschwindigkeiten fahren, aber auch für solche, die auf leichten, nicht
ganz regelmäßig verlegtem Oberbau verkehren sollen. Sowohl bei.hohen Fahrgeschwindigkeiten
als auch auf leichtem Oberbau sind die zulässigen Radlasten beschränkt, so daß bei
einem vorgegebenem Fahrzeuggewicht mit zweiachsigen Drehgestellen oft nicht mehr
auszukommen ist. Die bekannten dreiachsigen Drehgestelle, bei denen alle drei Radsätze
in einem waagerecht starren Drehgestellrahmen gelagert sind, befriedigen aber in
lauftechnischer Hinsicht nicht.
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Wegen ihres verhältnismäßig großen Radstandes entstehen bei der Bogenfahrt
an ihrem führenden Radsatz große Anlaufwinkel und Richtkräfte; letztere ganz besonders
dann, wenn auch noch freie Fliehkräfte aufzunehmen sind. Auch der lotrechte Ausgleich
der Radlasten ist bei ihnen oft sehr unbefriedigend, wenn z.B.
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Schwanenhalsträger wegen ihrer großen ungefederten Masse und Blattfedern
mit Ausgleichhebeln wegen des ungünstigen Einflusses der Reibung zwischen den Federblättern
vermieden werden sollen.
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Auch in anderer Hinsicht ist eine Verbesserung der bekannten zwei-
und dreiachsigen Drehgestelle erwünscht: Um Querbeschleunigungen der Radsätze aus
dem Sinuslauf oder in Folge von Gleisunstetigkeiten (Richtungsfehler des Gleises,
Kreuzungen,
rümmungsanderungen) in möglichst geringem Maße auf die
Brücke (Fahrzeugaufbau) und auch in umgekehrter Richtung zu übertragen, ist eine
lose Kopplung zwischen beiden anzustreben. Eine solche ist auch Voraussetzung für
den sogenannten "stabilen Lauf" bei hohen Fahrgeschwindigkeiten. Die lose Kopplung
zwischen Radsätzen und Brücke wurde bisher ausschließlich durch das Einschalten
einer Querfederung zwischen Drehgestellrahmen und Brücke erreicht. Das auf diesem
Wege erreichbare Maß an Entkoppelung ist aber begrenzt: Bei einer weichen Querfederung
werden die Seitenausschläge der Brücke - z.B. in Folge von freien Fliehkräften,
d.h. Fliehkräften, die nicht durch eine ausreichende Schienenüberhöhung ausgeglichen
werden -, bald so groß, daß mit Rücksicht auf die vorhandene Lichtraumumgrenzung
eine:empfinliche Breiteneinschränkung der AuSbauten notwendig wird. Auch eine Begrenzung
der Querschwingungen der Brücke durch (starre oder elastische) Anschläge ist unzweckmäßig,
da sie beim Anschlagen zu unangenehmen Stößen führt bzw. die Querschwingungsfrequenz
verzerrt und beim Anliegen der Brücke am Anschlag die Entkoppelung aufhebt.
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Es sind Deichselradsätze bekannt, deren Deichsel über den Anlenkpunkt
am Rahmen einer Dampflokomotiye hinaus verlängert und mit dem Drehpunkt eines Beugniot-Hebels
verbunden ist, der die beiden ersten Kuppel-Radsätze verbindet (sogenanntes "Meineke-Gestell").
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Da bei dieser Konstruktion aber zwei Rädsätze- -seitenverschieblich
im Hauptrahmen gelagert sind, entstehen wesentlich andere Verhåltnisse, als wenn
diese beiden Radsätze einem Drehgestell angehören, das sich frei einstellen kann.
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Bekannt ist auch eine Anordnung, bei der der Mittelpunkt eines Drehgestelles
durch einen Wendehebel mit einem weiteren Radsatz (Kuppelradsatz) verbunden ist
(sogenanntes Lotter-Gestell'1).
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Hier ist der Einzelradsatz nicht schwenkbar, sondern im Rahmen seitenverschieblich
geführt, so daß auch hier wesentlich andere Verhältnisse vorliegen.
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Bekannt sind auch drei- und mehrachsige Drehgestelle, bei denen ein
oder mehrere Rahmenteile mit Radsätzen an den Grundrahmen um eine horizontale Querachse
drehbar angelenkt sind. Diese Bauarten ermöglichen zwar einen Ausgleich der lotrechten
Radbelastungen, lauftechnisch verhalten sie sich aber wie einrahmige Drehgestelle.
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Die bekannten Ausführungen vermögen nicht die Erfindungsaufgabe zu
lösen, die in der Konzeption eines dreiachsigen Drehgestelles besteht, das eine
besonders lose Querkopplung zwischen den Radsätzen und der Brücke ermöglicht, Gleise
und Radsätze durch geringe Richtkräfte und kleine Anlaufwinkel schont und sich auch
in lotrechter Richtung-Gleisunebenheiten ohne Radlaständerung anpaßt.
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Die Lösung dieser Aufgabe wurde darin gefunden, daß zwei Radsätze
des Drehgestelles in einem Grundrahmen und der dritte Radsatz in einer Deichsel
gelagert sind, und daß die Deichsel an den Grundrahmen zwischen dessen Radsätzen
beschränkt raumbeweglich angelenkt ist und die Brücke an einer zwischen dem Deichselradsatz
und dem Anlenkpunkt gelegenen Stelle trägt.
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Dabei wird man den Deichselanlenkpunkt vornehmlich etwa in der Mitte
zwischen den Radsätzen des Grundrahmens und die Abstützung -der Brücke um etwa ein
Drittel des Abstandes zwischen Deichselradsatz und Deichselanlenkpunkt am Grundrahmen
von diesem Anlenkpunkt entfernt anordnen. Bei dieser Wahl der Abstände verteilt
sich nicht nur die lotrechte Auflast der Brücke, sondern auch die waagerechte Kraft
zwischen Brücke -und Drehgestell gleichmäßig
und statisch bestimmt
auf alle Radsätze. Erfährt ein beliebiger Radsatz eine Querbeschleunigung b, so
tritt am Anlenkpunkt der b Brücke nur die Querbeschleunigung b/3 auf, die mit der
auf den Anlenkpunkt entfallenden Teilmasse md der Brücke die Drehzapfenquerkraft
3 b . md erzeugt. Von dieser Querkraft wirkt wiederum nur ein Drittel auf den Radsatz
zurück, also 1/9 . b . md, gegenüber 1/4 b # md bei den bekannten Drehgestellen.
Die Rückwirkung der Brückenmasse auf die Radsätze ist also weniger als halb so groß,
bei den bekannten zwei- und dreiachsigen Drehgestellen, was einer losen Koppelung
gieichkommt. Im Gegensatz zu einer Entkoppelung durch Querfederung kann die Brücke,
aber unter freien Fliehkräften nicht seitlich ausweichen oder querschwingen.
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Auch die Wirkung lotrechter Beschleunigungen der Radsätze, z.B.
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aus Gleisunebenheiten, wird in entsprechender Weise vermindert.
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Die Anlaufwinkel der Radsätze und die Richtkräfte sind etwa so groß
oder auch kleiner, als bei einem zweiachsigen Drehgestell mit dem Radstand des Grundgestelles.
Freie Fliehkräfte verteilen sich, wie oben erwähnt, gleichmäßig auf alle Radsätze,
während bei den bekannten dreiachsigen Drehgestellen nur die Endradsätæ an ihrer
Übertragung auf die Schiene beteiligt sind.
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Im Sinne der Erfindung liegt es, daß die Deichsel bei waagerechte
ten Aus schlägen gegen den Grundrahmen nur ein kleines oder gar kein Rückstellmoment
zu überwinden hat.
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In der Fahrtrichtung durch einen Gleisbogen, in welcher der peichselradsatz
hinten läuft (normalerweise beim hinteren Drehgestell) kann sich dieser dann radial
einstellen oder - bei kleineren Radien - an der Innenschiene anlaufen, ohne die
Einstellung der Radsätze des Grundrahmens im Gleise ungünstig zu
beeinflussen.
Bei vorauslaufendem Deichselradsatz genügt bereits ein sehr kleines Rückstellmoment,
um die Richtkraft des mittleren Radsatzes, der bereits durch die Reaktionskraft
der Deichsel in ihrem Anlenkpunkt entlastet wird, so weit zu vermindern, daß sie
etwa ebensogroß wie die des Deichselradsatzes ist.
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Weiterhin wird empfohlen, mindestens den Deichselradsatz längsoder/und
querelastisch zu lagern.
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Bisher war die Ansicht im Schienenfahrzeugbau verbreitet, daß, "geschobene"
Deichseln einer kräftig wirkenden Rückstellvorrichtung bedürfen, um einen einseitigen
Anlauf des Deichselradsatzes im geraden Gleise zu verhindern. Der einseitige Anlaufbwird
indessen auch vermieden, wenn dem Radsatz eine gewisse Einstellmöglichkeit gegenüber
der Deichsel gewährt wird, die ihm die Selbstzentrierung im Gleise ermöglicht, Diese
Wirkung wird noch durch eine verhältnismäßig große Kegelneigung der Radlauffläche
( 20) erhöht.
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Eine zweckmäßige Verbindung zwischen Grundrahmen und Deichsel besteht
in einem mittigen Drehzapfen oder Gelenk, welches nur horizontale Kräfte überträgt
und seitlichen Abstützungen der Deichsel auf dem Grundrahmen vermittels geschichteter
Elastomerfedern oder Schraubenfedern, welche nicht nur die lotrechte Last der Deichsel
elastisch tragen, sondern auch den Deichselausschlag durch horizontale Verformung
ermöglichen.
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Solche Abstützungen sind an sich von der Auflagerung der Brücke auf
das Drehgestell her bekannt. Bei der errindungsgemäßen Anwendung können die Federn
sehr niedrig gehalten werden, da die Winkelausschläge der Deichsel gegen den Grundrahmen
wesentlich kleiner sind, als die Ausschläge von Drehgestellen gegen die Brücke,
und da ein kleines Rückstellmoment beim Deichselausschlag durchaus willkommen ist.
In lotrechter Richtung übernehmen diese seitlichen Federn einen Teil des Federweges,
den sonst
die Brückenfedern aufbringen müßten, wobei das Federsystem
besonders die von einzelnen Radsätzen herrührenden Stöße weich aufnimmt. - Durch
die Bemessung des Querabstandes der Federn kann einerseits die Nachgiebigkeit gegen
Verwindung zwischen Deichsel und Grundrahmens andererseits das Maß, um das sich
die Aufbauten unter Fliehkrafteinwirkung neigen, beeinflußt werden. -Der Drehzapfen
und die Federn zur seitlichen Abstützung der Deichsel brauchen- nicht in einer gemeinsamen
Querebene des Fahrzeugs zu liegen, wenn aus irgendwelchen Gründen in lot rechter
Richtung eine andere Lastverteilung auf die beiden Radsätze des Grundrahmens angestrebt
wird, als in waagerechter Richtung.
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Insbesondere bei hohen Geschwindigkeiten wird man die durch die Erfindung
herbeigeführte geringe gegenseitige Beeinflussung von Brücke und Radsätzen noch
dadurch weiter vermindern, daß zwischen der Brücke und der Deichsel eine an sich
bekannte Querfederungvorgesehen wird.
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Die Querfederung kann in diesem Falle aber wesentlich härter ausgebildet
werden, als wenn die Entkoppelung durch sie alleine herbeigeführt werden müßte.
Infolgedessen werden nur geringe oder garkeine Breiteneinschränkungen der Aufbauten
notwendig.
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In manchen Fällen wird es vorteilhaft sein, die Brückenlast nicht
gleichmäßig auf die Radsätze zu- verteilen, sondern die Lage der Stützpunkte1 so
zu wählèn, daß die Radsatzlasten unter Berücksichtigung der Radstände ein Minimum
an Biegespannungen in den Schienen erzeugen.
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Die in dieser Hinsicht günstigste Verteilung der Last auf die Radsätze
ist bei gegebenen Radständen nach bekannten Formeln (z.B. von Jaehn-oder Zimmermann)
leicht zu ermitteln und durch
die entsprechende Wahl der Lage des
BrUckenstUtzpunktes auf der Deichsel und des Deichselstützpunktes auf dem Grundrahmen
zu verwirklichen. Normalerweise wird der Abstand der beiden Radsätze des Grundrahmens
voneinander größer sein, als der Abstand des Deichselradsatzes von dem ihm benachbarten
Radsatz.
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Dann ist der Mittelradsatz höher und der äußere Radsatz des Grundrahmens
niedriger zu belasten, als der Deichselradsatz.
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Bei einer solchen Lastverteilung ergeben sich außer der Schonung des
Oberbaus noch weitere Vorteile: Der äußere Radsatz des Grund-: rahmens, der in der
Fahrtrichtung, in der er vorausläuft, das Drehgestell alleine, d.h. ohne Unterstützung
durch den Deichsel radsatz führt>.erhäit durch seine geringere Belastung auch
kleinere Richtkräfte, so daß sein Spurkranzverschleiß dem der beiden anderenRadsätze
angeglichen wird. Wenn zudem die waagerechte Lastverteilung der lotrechten angeglichen
wird, so rückt auch der waagerechte DeichselanlenLpunkt näher zum Mittelradsatz
hin, so daß die Reaktionskraft der Deichsel im Anlenkpunkt einen etwas größeren
Anteil zur Verminderung der Richtkraft am Mittelradsatz liefern kann. Auch die geringfügige
Verkürzung der Deichsel ist im Interesse des Anlaufwinkels des Deichselradsatzes
und im Interesse des Deichselgewichtes willkommen.
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Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung an Hand der
Zeichnungen beschrieben. Es zeigen Abb. 1eine Seitenansicht des Drehgestelles, Abb.
2 einen Schnitt längs der Linie II-II der Abb. 3, Abb. 3 eine Draufsicht auf das
Drehgestell im geraden Gleise, Abb. 4 die symbolische Darstellung eines Fahrzeuges
mit erfindungsgemäßen Drehgestellen im Aufriß und Grundriß in der Darstellungsweise
nach Vogel. in einem Bogen von 250 m Radius bei einem Maßstab von ungefähr 1:100
in Längs- und 1:2 in Querrichtung und Abb. 5 ein erfindungsgemäßes Drehgestell mit
sei-tenverschieblichem BrUcken-Drehzapfen in der Draufsicht bei einem Deichselausschlag
von 0,05 rad (ca 30)
In einem Grundrahmen 13 des Drehgestelles,
bestehend aus den Längsholmen 4 und dem Querholm 5 sind die Radsätze 2 und 3 gelagert.
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Eine Deichsel 7 mit einem Radsatz 1 ist an dem Querholm 5 des Grundrahmens
13 vermittels eines Drehzapfens 6 räumlich schwenkbar angelenkt. In lotrechter Richtung
stützt sich die Deichsel über seitlich angebrachte Federn, z.B. geschichtete Gummi-Blockfedern
8, auf den Grundrahmen 13 ab, die bei Deichselausschlägen in horizontaler Richtung
in an sich bekannter Weise quer zu ihrer Achse verformt werden. Zwischen den Federn
8 und dem Radsatz 1 trägt die Deichsel 7 ein weiteres Paar Federn 9 auf dem die
Last der Brücke 10 ruht. In der Querebene der Federn 9 oder ein kleines Maß vor
oder hinter dieser Querebene ragt ein an der Brücke 10 befestigter Drehzapfen 11
in ein Drehzapfenlager der-Deichsel 7 hineih. Dieses Drehzapfenlager kann in der
Deichsel- fest oder querbeweglich sein.
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Statt eines querbeweglichen Deichsellagers kann auch eine mit dem
Drehzapfen 11 und der Deichsel 7 beiderseits gelenkig verbundene Lasche 12 (Abb.
5) oder eine beliebige andere bekannte Verbindung zwischen der Brücke 10 und der
Deichsel 7 oder dem Grundrahmen 13 zur Zugkraftübertragung Verwendung finden.
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Die Verteilung der auf das Drehgestell entfallenden Brückenlast P
auf die einzelnen Radsätze ist in lotrechter und waagerechter Richtung statisch
bestimmt. Der auf die einzelnen Radsätze entfallende Teil der lotrechten Brückenlast
P-beträgt, wenn gemäß Abb. 3 a, b und c die Abstände der Radsätze von den Federn
8 und 9 und und d den Abstand der Federn 8 und 9 untereinander bezeichnet für den
Radsatz 1 P1 = d p, für den Radsatz 2 P2 = a # c Pund c+d a+b c+d und für den Radsatz
3 P3 = b # c #P, mit a=b und c=2 d also je a+b c+d 1/3, P. Für die waagerechte Verteilung
der Querkraft gelten die gleichen Beziehungen, wenn unter P die waagerechte Kraft
der Brücke auf das Drehgestell verstanden wird, unter a und b die Abstände der Radsätze
2 und 3 vom Drehzapfen 6 und unter c und d bei seitenfestem Drehzapfenlager die
Abstände des Drehzapfens 11 vom Radsatz 1
und vom Drehzapfen 6,
bei seitenverschieblichem Drehzapfen die entsprechenden Abstände der Federn 9, weil
in diesem Falle die Federn-9 die Querkräfte der Brücke 10 elastisch auf die Deichsel
7 übertragen. Beschleunigungen der Radsätze in lotrechter und Querrichtung werden
in den gleichen Verhältnissen vermindert auf die Brückenstützpunkte übertragen,
so daß sich die auf die Radsätze zurückwirkenden Trägheitskräfte der Brückenmasse
bei der lotrechten oder Quer-Beschleunigungen mit dem Quadrat dieser Verhältniszahlen,
d.h. auf rund 1/9 reduzieren, also auf das etwa 0,45 fache der bei bekannten Drehgestellen
auftretenden Kräfte.
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Die Aufteilung der Brückenfederung in die Federn 8 und 9 bewirkt eine
besonders weiche Abfederung der Brücke für die Fälle, in denen die Radsätze nicht
gleichzeitig, sondern nacheinander eine Gleisunebenheit überfahren, was in der Regel
der Fall sein wird.
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Bei der Bogenfahrt bleiben die Anlaufwinkel aller Radsatz, wie Abb.4
veranschaulicht, etwa in der Größe wie bei bekannten zweiachsigen Drehgestellen
mit- dem Radstand des Grundrahmens. Der Ausschlagwinkel der Deichsel 7 gegen den
Grundrahmen 13 bleibt ebenfalls sehr klein; bei den Abmessungen gemäß Abb. 4 z.
B. beim vorauslaufenden Drehgestell ## = 0>007 rad (0,4°) und beim nachlaufenden
Drehgestel 0,003 rad (0,17°) bei einem Bogenradius von 250 m.
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Die Deichsel 7 kann also den Grundrahmen 17 mit kleinem Spiel umfassen.
Die Reaktionskraft der Deichsel im Drehzapfen 6 aus der Längsgleitung der Räder
des Radsatzes 1 zieht den Grundrahmen nach bogeninnen, die Richtkraft am Radsatz
2 vermindernd. Es genügt deshalb ein unbedeutendes Rückstellmoment zwischen Deichsel
7 und Grundrahmen 13, um die Richtkraft des Radsatzes 2 soweit zu vermindern daß
sie sich derjenigen des Radsatzes 1 angleicht. Dieses kleine Rückstellmoment können
die beiden Federn 8 bei ihrer Quer-Verformung aufbringen. Bei den noch kleineren
Ausschlagen des nachlaufenden Drehgestelles bleiben die Rückstell@räfte unbedeutend,
so"daß' sich der Deichselradsatz 1' (Abb. 4) radial einst,ell,en9der an der Innenschiene,
anlaufen kann; ohne die Einstellung des - Grundrahmens 13' im Gleise ungünstig zu
beeinflussen. ;~
Bekanntlich neigen spielfrei in einer Deichsel,
die keine kräftig wirkende Rückstelleinrichtung besitzt, gelagerte Radsätze in der
Geraden zum einseitigen Anlauf an die Schiene, wenn die Deichsel "geschoben" wird,
d.h. wenn der Radsatz vor dem Deichselanlenkpunkt läuft. Diesem Mangel begegnet
die Erfindung dadurch, daß der Radsatz 1 längs- und querelastisch, (oder bei angetriebenen'
Radsätzen auch nur.querelastisch) z. B. mittels bekannter Gummifedern, in der Deichsel
7 gelagert wird. Die so ermöglichte Selbstzentrierung des Radsatzes im Gleis kann
durch einen relativ steilen Kegelwinkel der Radlaufflächen noch verbessert werden.
Für den stabilen Lauf bei hohen Fahrgeschwindigkeiten ist es zweckmäßig, diese Maßnahmen
auch ailf die Radsätze 2 und 3 auszudehnen. Der Deichselanlenkpunkt 6 wird in diesem
Falle ebenfalls stabilisiert, so daß die Deichsel 7'keine Laufunrühe hervorrufen
kann.
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Weiterhin wird man bei sehr hohen Fahrgeschwindigkeiten die durch
die Erfindung herbeigeführte geringe Rückwirkung der Brückenmasse auf die Radsätze
noch dadurch weiter vermindern, daß die Brücke 1G in~ahnlicher Weise querelastisch
mit der Deichsel 7 verbunden wird, wie bei bekannten Drehgestellen Brücke und Drehgestell,
z.B. gemäß Abb. 5, nach der der Brückendrehzapfen 11 mit Deichsel 7 und Grundrahmen
13 durch eine Lasche 12 verbunden ist; die lediglich ZugundBremskräfte, jedoch keine
Querkräfte zu übertragen vermag. Die Querkräfte werden dann durch die entsprechend
bemessenen Federn 9 elastisch übertragen. Dank der erfindungsgemäßen Entkoppelung
zwischen Brücke und Radsatz kann die Querfederung aber härter sein, als bei den
bekannten Drehgestellen, so daß Fliehkräfte oder Einzelstöße nur kleine Seitenausschläge
der Brüsoke verursachen, die zu keiner nennenswerten Breiteneinschränkung der Aufbauten
nötigen.
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Die durch die Erfindung geschaffene Möglichkeit, die lotrechten und
waagerechten Kräfte von der Brücke durch die Wahl der Abstände-afb,c und d willkürlich
auf die Radsätze zu verteilen, kann
auch dazu ausgenutzt werden,
mehr oder weniger von der gleichmäßigen Belastung aller Radsätze abzuweichen, z.B.
gemäß einer möglichst geringen Biegespannung im Gleise. Die damit erreichbaren Vorteile
sind oben bereits dargelegt worden.
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Für-die Gestaltung der Deichsel sind zahlreiche Variationen möglich,
die unter die Schutzansprüche fallen. Während bei Triebfahrzeugen die dargestellte
Form, bei der die Seitenwangen der Deichsel außerhalb des Grundrahmens liegen, zweckmäßig
ist, um den Raum zwischen den Rädern für Antriebsteile freizuhalten, kann es bei
nichtangetriebenen Radsätzen zweckmäßig sein, die Deichsel zwischen den Rädern des
Radsatzes 2 hindurchzufuhren, eventuell in Verbindung mit einer Innenlagerung des
Radsatzes 1. Bei aMsreichend zur Verfügung stehender Höhe kann die Deichsel auch
über dem Grundrahmen liegen.