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Rahmen für ein Schienenfahrzeug, insbesondere fiir eine Lokomotive
Die Erfindung bezieht sich auf einen Rahmen f[ir ein Schienenfahrzeug, insbesondere
eine Lokomotive, an dem sich Kopfstücke befinden, an denen parallel zur Tahmen-Längsrichtung
gerichtete Zug- und Druckkräfte angreifen, wobei die Wirkungslinien dieser Kräfte
außerhalb der waagerechten Mittelebene des Rahmens liegen.
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Rahmen von Schienenfahrzeugen werden einmal durch ihr Bigengewicht
und die auf dem Rahmen aufliegende Last und zum anderen durch Zug- und Druckkräfte
beansprucht, die an der Kupplung zwischen zwei Schienenfahrzeugen angreifen (sogenannte
Zughakenkräfte). Die Beanspruchung durch die Zughakenkräfte kann wesentlich größer
sein als die Gewichtsbelastung, insbesondere dann,.wenn sich das Schienenfahrzeug
in einer Zug befindet, der durch mehrere Lokomotiven- gezogen oder geschoben wird.
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Eine solche sogenannte Mehrfachtraktion mit bis zu sechs
schweren
Lokomotiven ist bei entsprechender Ausbildung der Kupplung zwischen den einzelnen
Fahrzeugen möglich, so auch mit einer Mittelpuiferkupplung, wie sie in Europa eingeführt
werden soll.
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Für die Beanspruchung durch die Zughakenkräfte ist es am günstigsten,
wenn deren Wirkungslinie etwa mit der Schwerachse des Rahmens zusammenfallen würde.
Dies ist jedoch in der Regel nicht der Fall. Im allgemeinen liegen die Wirkungslinien
der Zughakenkräfte unterhalb der Schwerachse 3 man spricht dann von einem exientrischen
Angriff der Breite.
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Bekannt sind Rahmen, die im wesentlichen aus zwei seitlichen Längsträgern
in Form von gewalzten Breitflanschträgern und einen oben auf diese aufgesetzten
Rahmendeckblech bestehen.
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Diese Rabeabauart ist bei großen Belastungen durch exzentrisch angreifende
Zughakenkräfte unzweckmäßig. Bei einer solchen Art der Belastung werden im Fahrzeugrahmen
gleichzeitig Biegungsspannungen und Normalspannungen wirksan, die sich im Rahmen
untergurt addieren und im Rahmenobergurt subtrahieren. Bei einem Fahrzeugrahmen
aus Längsträgern mit gleichen Dickenabmessungen der beiden Trägergurte wird dann
der Untergurt hoher belastet als der Obergurt. Bb bringt deshalb fUr die Belastbarkeit
des Rahmens keine Vorteile, wenn der Obergurt durch eine aufgesetztes Rahmendeckblech
verstärkt wird. Vielmehr wird
dadurch die Spannungsverteilung auf
Obergurt und Untergurt ungünstig beeinflußt, vor allem dadurch, daß der wirksame
Hebelarm des exzentrischen Kraftangriffes vergrößert wird, da ja die Schwerachse
des Rahmenprofiles aus der Mitte heraus nach oben verlagert wird..
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Bekannt sind auch Rahmen, die aus verhältnismäßig dünnen Stahlblechen
zusammengeschweißt sind. Diese Rahmenbauart erfordert einen großen Arbeitsaufwand
für das Zuschneiden der Bleche, für Schweißarbeiten und Richtarbeiten. Hinzu kommt,
daß Versteifungsbleche erforderlich sind, um ein Ausbeulen der dünnen Bleche zu
vermeiden. Durch Unfälle verzogene oder anderweitig beschädigte Rahmen dieser Bauart
erfordern bei der Reparatur einen großen Arbeitsaufwand. Richtarbeiten sind bei
ixizinblech-Konstruktionen nur bedingt möglich, so daß oft ganze Rahmenabschnitte
herausgeschnitten and erneuert werden müssen.
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Rahmen von Schienenfahrzeugen, insbesondere Rahmen von Lokomotiven,
sogen bei der Belastung durch ihr eigenes Gewicht gerade und eben sein. Um dies
zu erreichen, werden solche Rahmen mit einer Durchbiegung nach oben hergestellt,
was einen beträchtlichen konstruktiven Aufwand und einen entsprechenden Aufwand
an Vorrichtungen, Arbeitszeit und Kontrollen erfordert.
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1Xlroh die Erfindung nun soll ein Rahmen für Schienenfahrzeuge, an
dem die Zughakenkräfte exzentrisch angreifen, so ausgebildet werden, daß die Beanspruchung
des Rahmens möglichst gleichmäßig ist.
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Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß die Rahmenquerschnitte
zu ihrer Schwerachse unsymmetrisch sind, wobei der kleinere Randfaserabstand der
Wirkungslinie der Kräfte näher liegt als der größere Randfaserabstand.
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Bei einem so ausgebildeten Rahmen wir die Schwerachse des Rahmens
näher an die Wirkungslinie der Zughakenkräft herangerückt, so daß diese bezüglich
des Rahmens einen kleineren Hebelarm haben. Es wird eine wesentlich günstigere Verteilung
der Spannungen auf Obergurt und Untergurt erzielt, so daß der Rahmen bei vorgegebener
Belastbarkeit ein geringeres Gewicht hat und einfacher gestaltet ist.
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Der erfindungsgemäße Rahmen kann in an sich bekannter Weise seitliche
Längs träger aufweisen, die durch sich quer zum Rahmen erstreckende Verbindungsteile
im Abstand voneinander gehalten sind. Diese Rahmenbauart ist deshalb besonders vorteilhaft,
weil der Raum zwischen den Längsträgern zur Aufnahme von Teilen des Fahrzeuges verwendbar
ist. Beispielsweise können zwischen die Längsträger Teile der Maschinenanlage einer
Lokomotive eingreifen.
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Jeder seitliche Längsträger kann einen Untergurt aufweisen, der dicker
und/oder breiter ist als der Obergurt. Die Breite der Untergurte kann so weit vergrößert
werden, daß ein geschloasener Unterboden entsteht. Mit allen diesen Maßnahmen läßt
sich erreichen, daß die Schwerachse des Rahmens möglichst weit nach unten verlegt
wird.
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Weitere Einzelheiten über die Gestaltung eines Rahmens mit seitlichen
Längsträgern sind in den UnteransprUchen definiert und werden auch noch anhand der
Beschreibung von usfUhrungsbeispielen erläutert werden.
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Bei einer anderen-Ausfuhrun"gsform der Erfindung besteht der Rahmen
aus einem wannenförmigen Mittelteil und seitlichen oberen Flanschen. Ein solcher
Rahmen hat also nicht mehr oder weniger selbständige seitliche Längsträger, wenngleich
man die nach oben ragenden Wände des wannenförmigen Mittelteiles und die Flansche
als eine Art Längs träger ansehen kann.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen: Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Rahmens mit zwei einzelnen
seitlichen Längsträgern,
Fig. 2 einen Querechnitt nach Linie II-II
in Fig. 1, Fig. 3 einen Querschnitt nach Linie III-III in Fig. 1, Fig. 4 eine der
Fig. 1 entsprechende perspektivische Ansicht eines Rahmens mit durchgehendes Bodenblech,
Fig. 5 und 6 Seitenansicht und Drauf@icht auf einen Rahmen mit seitlichen Längsträgern,
die über Quertraperson miteinander verbunden sind, Fig. 7 einen Querschnitt durch
einen Rahmen, der etwa Fig. 4 entspricht, wobei noch zusätzlich Tragkonsolen fur
die Auflagerung von Fahrzeugteilen dargestellt sind, Fig. 8 einen der Fig. 7 entsprechenden
Querschnitt bei einem Rahmen, der aus einem wannenförmigen Mittelteil und seitlichen
Flanschen besteht und Fig. 9 einen Querschnitt durch eine RahmenkonetruXtion, die
weitgehend derjenigen nach Fig. 7 entspricht.
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Der Rahmen nach Fig. 1 hat zwei zueinander spiegelbildliche, seitlich
Längsträger 1 und 2 sowie Kopfstücke 3 und 4. Durch die unterhalb des Rahmens gezeichneten
Schienen 5, 6 soll
einmal symbolisiert werden, daß der Rahmen für
Schienenfahrzeuge bestimmt ist und zum anderen, das Größenverhältnis zwischen Spurweite
und Rahmenbreite dargestellt werden.
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Wie die Schnitte nach den Fig. 2 und 3 zeigen, ist bei der Ausführungsform
nach den Fig. 1 bis 3 jeder Längsträger kastenförmig ausgebildet und hat einen verhältnismäßig
dicken Untergurt 7 und einen dünneren Obergurt 8 sowie eine Außenwand 9 und eine
Innenwand 10. Die Gurte 7 und 8 stehen seitlich über die Seitenwände 9, 10 vor.
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Wie aus Fig. 1 zu ersehen ist, sind die Seitenwände 9, 10 jedes Trägers
1, 2 im mittleren Bereich höher als in den Bndbereichen. Die Gurte 7, 8 sind im
mittleren Bereich etwas schmäler als in den Endbereichen. Die Verbreiterung der
Seitenwände berücksichtigt einerseits die Verteilung der Biegemomente und andererseits
den Umstand, daß im mitteleren Teil des Rahmens die Höhe der Rahmenunterkante nicht
durch die Höhe der Drehgestelle vorgeschrieben ist. Mit der Verbreiterung der Seitenwände
vermindert sich die Exzentrizität des Kraftangriffes, erhöhen sich die Urägheits-
und Widerstandsmomente der Kastenträger, was in der Rahmenmitte schmale und leichte
Ober- und Untergurte des Kastenträgers ermöglicht. Gleichzeitig wird mehr lichte
Breite zur Unterbringung von Teilen des Fahrzeuges oder der Ladung geschaffen, was
einen erstrebten Nebeneffekt darstellt.
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Die beiden Längsträger 1 und 2 sind an ihren Enden durch die kopfstücke
3 und 4 miteinander verbunden. Diese Kopfstücke können mit den Längs trägern verschraubt
oder verschweißt sein. In der Mitte der Kopfstücke 3, 4 befinden sich die Angriffspunkte
11 bzw. 12 für die Zughakenkräfte F.
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Zugkräfte sind durch strichpunktierte Pfeile un4truckkrEfte durch
ausgezogene Pfeile angedeutet. Aus der Zeichnung ist zu ersehen, daß die Wirkungslinien
der Kräfte F unterhalb des Rahmens verlaufen, d.h. der Bngriff der Eräft-e ist exzentrisch
An den Unterseiten der Längsträger sind in den beiden Endbereichen Bleche 13, 14
befestigt, die als sogenannte Schubsteifen dienen, d.h. zur Übertragung der Schubkräfte
F auf den Rahmen.
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Bei der beschriebenen Ausbildung eines Rahmens liegt die Schwerachse
15 näher bei den Untergurten 7 als bei den Obergurten 8. Die Unterseite des Gurtes
7 hat von der Achse 15 einen kleineren Abstand r1 als die Oberseite des Obergurtes
8, deren Abstand von der Achse 15 r1 ist. rl und r2 werden als Randfaserabstände"
bezeichnet. Der Hebelarm a der Kräfte F bezüglich des Rahmens ist dadurch kleiner
als bei einem Rahmen, dessen Träger glechstarke Ober- und Untergurte haben, bei
denen also die Achse 15 in der Höhenmitte des Rahmens liegen
würde.
Man erhält deshalb eine wesentlich günstigere Beanspruchung des Rahmens, als dies
bei bekannten Rahmen der Fall ist.
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Man kann mit Hilfe von Richtpressen, wie sie auch sonst im Stahlbau
verwendet werden den Längs trägern eine genau definierte Wölbung nach oben geben,
so daß sie bei Belastung mit ihrem Eigengewicht oder Teilen des Fahrzeuges genau
eben sind.
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Der Rahmen nach Fig. 4 unterscheidet sich von demjenigen nach den
Fig. 1 bis 3 dadurch, daß nicht nur an den Enden sogenannte Schubsteifen 13, 14
angeordnet sind, sondern daß ein geschlossener Boden vorhanden ist, der außer durch
die Schubsteife 13, 14 durch Bleche 16, 17 und 18 gebildet Bst, Der gesamte Boden,
bestehend aus den Blechen 13, 14, 16, 17, 18 kann auch als verbreiterter Untergurt
aufgefaßt werden, So daß die erwUnschte tiefe Lage der Schwerachse 15 auch erreicht
wird, wenn der Untergurt die gleiche oder eine geringere Dicke hat wie die Obergurte;
infolge seiner wesentlich größeren Breite befinden sich im unteren Bereich dennoch
wesentlich größere Querschnitte.
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Bei der Variante nach den Fig. 5 und 6 sind wieder Längsträger 1t
und 2A vorhanden, die den Längsträgern bei den bereits
beschriebenen
Ausführungen entsprechen. Die Längsträger sind durch Traversen 19, 20, 21 und 22
miteinander verbunden und im richtigen Abstand voneinander gehalten. An den inden
der Traversen befinden sich Flansche 23, die an den Innenseiten der Längaträger
anliegen. Diese Flansche können mit den Längsträgern verschraubt oder auch verschweißt
@ein.
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In den verhältnismäßig breit ausgebildeten Traversen 19 und 21 befinden
sich Lagerungsstellen 24 fUr Drehzapfen 25 von Fahrgestellen 26 (siehe Fig. 5).
Die Schubsteifen 13' und 14' haben eine von den Fig. 1 und 4 abweichende Form. Kopfstttcke
3 und 4 sind hier ebenfalls vorhanden.
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In Fig. 7 ist ein Querschnitt durch einen Rahmen entsprechend Fig.
4 gezeigt. Zusätzlich zu Fig. 4 sind Konsolen 27, 28 dargestellt, die an den Innenwänden
10 der Längaträger befestigt sind. Die Konsolen 27, 28 dienen zur Auflagerung von
Teilen des Fahrzeuges, z.B. zur Auflagerung eines Motore, der in einer Halterung
29 aufgenommen wird. Das Gewicht des Rotors wird über die Konsolen 27, 28 unmittelbar
auf die Lingeträger des Rahmens übertragen.
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Der Rahmen nach Fig. 9 entspricht weitgehend demjenigen nach Fig.
7. Unterschiedlich ist, daß die Außenwände 9' durch Abkantungen des Bodenbleches
und die Innenwände 10' der seitlichen Länge träger durch Abkantungen der Obergurte
8' gebildet sind.
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In Fig. 8 ist eine Ausführungsform dargestellt, gemäß der der Rahmen
aus einem wannenförmigen Mittelteil 29 und seitlichen Flanschen 30 besteht, die
an die oberen Enden der Seitenwände 31 des wannenförmigen Mittelteiles 29 anschliessen.
Die Flansche 30 haben zur Versteifung Randabkantungen 32. Ferner sind Aussteifungsbleche
33 unterhalb der Flansche vorgesehen.
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Auch bei dieser Querschnittsform eines Rahmens läßt sich eine verhältnismäßig
tiefe Lage der Schwerachse 15 erzielen und damit eine günstige Spannungsverteilung.
Die Rahmenbereiche aus den Wänden 31, den Flanschen 30 und den Randabkantungen 32
können als Längsträger aufgefaßt werden, die über den Boden 34 des wannenförmigen
Teiles 29 miteinander verbunden sind, An den Wänden 31 können wieder Konsolen 27',
28' befestigt sein, durch die das Gewicht auf die genannten wSeitenträger't übertragen
wird.
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Die Längsträger können im Gegensatz zu den dargestellten Ausführungsbeispielen
ganz oder teilweise einen I-förmigen Querschnitt aufweisen. Ob für die Längsträger
ein Stegblech (I-Träger) oder zwei Stegbleche (Kastenträger) erforderlich sind,
wird durch die Breite der Gurtbleche bestimmt. Je nach Gurtblechstärke kann mit
einem Stegblech nur eine gewisse mittragende Breite der Gurtbleche erreicht werden.
Andererseits benötigt der sonst gleiche Träger bei der AusSErng mit
zwei
Stegblechen insgesamt eine größere Stegblechdicke, um eine ausreichende Beulungssteifigkeit
zu erreichen, was sich ungünstig auf das Gewicht des Rahmens auswirkt. Es kann deshalb
unter Umständen zweckmäßig sein, an einem Rahmen über den Drehgestellen die Rahmenlängsträger
als Kastenträger auszubilden, die dann zur Rahmenmitte hin in einen I-räger übergehen.