DE2350020A1 - Schienenfahrzeug, insbesondere reisezugwagen fuer hohe fahrgeschwindigkeit - Google Patents

Description

HEINZ FEDER DR. WOLF-D. FEDER

Düsseldorf

Akte 73-10/20-95

3. Okt. 1973 Dr.F/No

Firma Weqmann & Co., 35 Kassel, Wolfhager Str. 77-79

Schienenfahrzeug, insbesondere Reisezugwagen für hohe Fahrgeschwindigkeit.

Die Erfindung betrifft ein Schienenfahrzeug, insbesondere Reisezugwagen für hohe Fahrgeschwindigkeit, d.h. ein Schienenfahrzeug, das für den Geschwindigkeitsbereich von 250 bis 300 km/h verwendbar ist. Mit der Steigerung der Höchstgeschwindigkeit der Reisezüge treten zahlreiche Probleme bezüglich des ruhigen und sicheren Laufes der Fahrzeuge auf. Es wurden schon zahlreiche Versuche unternommen, den Wagenlauf bei Höchstgeschwindigkeit zu verbessern, und es hat sich gezeigt, daß Verbesserungen an einzelnen Teilen nicht ausreichen, sondern daß ein ruhiger und sicherer Wagenlauf nur erzielt werden kann, wenn alle Teile des Schienenfahrzeuges richtig aufeinander abgestimmt sind, d.h. es müssen Vorbeugungsmaßnahmen gegen selbsterregende Sch lingerbewegungen bei hoher Fahrgeschwindigkeit und gegen Entgleisungen getroffen werden. Wenn die Fahrgeschwindigkeit eines Fahrzeuges allmählich gesteigert wird, so tritt der Reihe nach zuerst Schlingern des Wagenkastens und dann Schlingern des Drehgestelles auf. Bei Schlingerbewegungen des Drehgestelles schwingt der Wagenkasten kaum, aber das Drehgestell allein bewegt sich seitlich, eine bei hoher Geschwindigkeit auftretende Erscheinung, Heftiges Drehgestellschlingern kann zu der gefähr-

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lichen Folge von Spurerweiterungen des Gleises und zur Entgleisung führen. Deshalb muß der Schlingerbewegung des Drehgestelles durch konstruktive Maßnahmen mit Nachdruck entgegengewirkt werden.

Es gibt zwei bekannte Mittel, um den Schlingerbewegungen des Drehgestelles vorzubeugen, nämlich das "System des unabhängig rollenden Rades" (Losradsatz), in diesem Fall tritt theoretisch keine Schlingerbewegung auf, und das"System des starr gekoppelten Rades" (üblicher Radsatz mit durch eine Achswelle fest verbundene Räder) mit besonderen konstruktiven Maßnahmen zur Unterdrückung von Schlingerbewegungen. Obgleich das Drehgestell mit Losrädern den Vorteil bietet, daß das Schlingern beseitigt wird, hat es doch den Nachteil, daß es einseitig gegen die Schiene anläuft, mit großem Spurkranzverschleiß behaftet ist, und die Radsatzlager mit den zugehörigen Sicherungseinrichtungen komplizierte Konstruktionen darstellen. Die zur Unterdrückung von Schlingerbewegungen bei Drehgestellen' mit starr gekoppelten Rädern erforderlichen konstruktiven Maßnahmen bestehen hauptsächlich aus einer Verkleinerung der Laufflächenneigung der Räddr, Sicherstellung, daß kein Spiel in der Verbindung zwischen !Achsbuchse und Drehgestellrahmen besteht und ein angemessener !Drehwiderstand zwischen Drehgestell und Wagenkasten vorhanden list. Es hat sich erwiesen, daß, je kleiner die Laufflächenneigung desto stabiler der Radsatzlauf, aber desto größer der Verschleiß der Laufflächen ist. Räder mit sehr kleiner Laufflächenneigung ^!müssen bereits nach ca. 2500 Laufkilometern nachgearbeitet werden, während Räder mit großer Laufflächenneigung, wie z.B. Räder mit sogenanntem 'Verschleißprofil, erst nach ca» 600 000 Laufkilometern nachgearbeitet werden müssen und hierdurch unterhaltungstechnisch große Vorteile bringen.

Weiter ist bekannt, bei Schienenfahrzeugen Drehgestelle mit verwindungsweichen Drehgestellrahmen und starren Radsätzen zu verjwenden. Dabei versteht man unter verwindungsweichem Drehgestellrahmen solche Drehgestellrahmen, die, wenn die Berührungspunkte

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der Räder mit den Schienen nicht in einer Ebene liegen, elastisch nachgeben, so daß, auch wenn sich der Auflagepunkt eines Rades über die Ebene der Auflagepunkte der anderen Räder hebt oder senkt, die Radlast weitgehend gleichmäßig auf die Räder verteilt bleibt, ohne daß, wie bei den verwindungssteifen Drehgestellen, zwischen dem Drehgestell und jedem einzelnen Radlager eine entsprechend nachgiebige. Federung vorgesehen werden muß. Hierdurch erreicht man eine verhältnismäßig einfache und wartungsfreie Konstruktion im Bereich der Radsatzlageranlenkung, Nachteilig bei dieser Konstruktion ist es aber, daß der verwindungsweiche Rahmen bei Gleisstörstellen oder beim Sinuslauf durch die gesamte Masse des starren Radsatzes in der horizontalen und vertikalen Ebene zum Schwingen angeregt wird.

Es ist ferner bekannt, zwischen den Drehgestellen und dem Wagenkasten Luftfedern vorzusehen, die nicht nur die wichtigsten Elemente zur Verbesserung des Fahrkomforts bei hohen Geschwindigkeiten sind, sondern auch Drehgestelle und Wagenkasten entkoppeln, so daß Schwingungen des Drehgestelles nicht oder in weit geringerem Maße auf den Wagenkasten übertragen werden. Nachteilig ist jedoch bei den bekannten Konstruktionen, daß zum Abheben des Wagenkasten's von den Drehgestellen die Luftfedern, ihre Niveauregelventile und die Stoßdämpfer erst vom Wagenkasten gelöst werden müssen.

Es wurde ferner versucht, das Drehschlingerη der Drehgestelle durch geteilte Radsatzwellen dadurch gänzlich zu beseitigen, daß jeder Radsatz geteilt wurde, wobei die beiden Halbachsen so miteinander gekoppelt wurden, daß sie sich nicht gegeneinander verdrehen konnten, aber durch eine Feder in Längsrichtung der Achse auseinander gedrückt wurden. Man wollte hierdurch erreichen, daß .beide Räder ständig mit den Spurkränzen an der Schiene anliegen ^!und erwartete, daß dann kein Drehschlingern auftreten würde. , Es hat sich aber gezeigt, daß auf diese Weise ein stabiler Rad- ^!satzlauf nicht mehr erreichbar ist, weil dem Radsatz die Möglichkeit genommen wurde, die immer vorhandenen Raddurchmesserunter-

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- 4 schiede durch Wenden im Spurkanal auszugleichen,,

Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die Radsatzmassen möglichst klein sein müssen, damit beim Sinuslauf der . Achsen und dem Drehschlingern der Drehgestelle nur kleine Massen- ! kräfte in Querrichtung auftreten und ein Quergleiten der Radsätze ■ auch bei sehr hohen Geschwindigkeiten ausgeschlossen wird,. Die '■ Begründung hierfür liegt darin, daß mit steigender Geschwindig- \ keit die Massenkräfte mit dem (Quadrat der Geschwindigkeit anwachsen und Werte erreichen, die höher als die Reibungskräfte \ zwischen Rad und Schiene sind. Wenn aber die Massenkräfte die I Reibungskräfte überschreiten, beginnt der Radsatz quer zu gleiten, die Amplituden und Querbeschleunigungen werden immer größer, bis der Radsatz das ganze Spurspiel ausnützt und hart in den Hohlkehlen der Reifenprofile anläuft. Dieser instabile Laufzustand bleibt auch dann erhalten, wenn die Gleisverhältnisse bedeutend besser werden, aber keine ausreichende Dämpfung vorhanden ist, um die Schwingungsenergie des pendelnden Radsatzes zu t

¹ vernichten.

; Die gestellte Aufgabe wird gelöst durch die Kombination der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegebenen, an sich bekannten Merkmale mit den im kennzeichnenden Teil genannten Merkmalen· I Durch diese Kombination wird ein Mehreffekt erzielt, der durch j die in den Unteransprüchen angegebenen Kennzeichen noch ver-

I bessert wird·

! Dieser Mehreffekt liegt darin, daß der Geschwindigkeitsbereich

j oberhalb von 250 km/h erreichbar ist, durch die den Lauf stabi-

j lisierende Wirkung der Erfindungskombination· ! Diese stabilisierende Wirkung ergibt sich aus:

a) Gleichbleibende Reibung in Querrichtung zwischen den einzelnen Rädern eines Drehgestelles des Schienenfahrzeuges durch den verwindungsweichen Rahmen, der Radentlastungen und damit das zum instabilen Lauf führende Quergleiten weitestgehend

verhindert.

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b) Reduzierung der Amplituden und Querbeschleunigungen durch Teilung der Radsatzmassen und durch Verkleinerung des Spurspieles durch die in axialer Richtung nach außen wirkenden Gummizwischenlagen in den mittleren Radsatzlagern_o

c) Streckung der Wellenlänge des Sinuslaufes durch den Wegausgleich zwischen zwei gegenüberliegenden Rädern durch die torsionselastische Kupplung derselben»

d) Dämpfung der Querbeschleunigungen der Räder eines Radsatzes durch die dämpfende Wirkung der Gummizwischenlagen in den mittleren Radsatzlagern.

e) Dämpfung der Schwingungen zwischen dem Magenkasten und den Drehgestellen durch die Dämpfungswirkung der Luftfederbülge.

f) Dämpfung bzw_e Unterbindung der Schlingerbewegungen der Drehgestelle durch die Reibung zwischen den Gleitstücken des Zwischenträgers und dem Wagenkasten sowie der ^lenkstangenverbindung zwischen den Drehgestellen und den Zwischenträgern.j

g) Reduzierung der vertikal von den Radsätzen auf die Drehge- j i stellrahmen übertragenen Schwingungsenergien durch die ver-

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;- tikale Schwingungsentkopplung gegenüberliegender Räder» j

!Die Luftfedern verbinden mit dein Vorteil, daß Drehgestell und j !Wagenkasten schwingungsmäßig weitgehend entkoppelt sind und der ; * Wagenkasten weich gefedert ist, den Nachteil, daß sich seitliche, ί ,Kräfte auf den Wagenkasten stark auswirken, insbesondere sich ;der Wagenkasten beim Durchfahren von Kurven unter der Wirkung der Zentrifugalkraft nach außen zu neigen sucht und bei ungleichmäßiger Belastung eine Schrägstellung einzunehmen versucht·· Es ist bekannt, dem dadurch entgegenzuwirken, daß der Druck in ■den beiden Luftfedern so gesteuert wird, daß die Wagenkasten-I neigung ausgeglichen wird. Dies bedingt aber wieder einen hohen :Druckluftverbrauch, der bei längeren Reisezügen die Leistungsi fähigkeit des Lokomotivkompressors übersteigt« Bei dem Schienenfahrzeug nach der Erfindung wird eine weitere Verbesserung da-

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durch erzielt, daß die Druckräume je zweier zueinander symmetrisch zur Längsmitteleben® angeordneter Luftfedern miteinander in unmittelbarer Verbindung stehen und der Zwischenträger mit dem ^Drehgestellrahmen durch eine Drehstab-Wankstütze verbunden ist. jSolche Drehstab-Wahkstützen sind an sich bekannt und verhindern

leine seitliche Neigung des Wagenkastens gegen das Drehgestell,

ohne die senkrechten Bewegungen des Wagenkastens gegenüber dem !Drehgestell beim Einfedern der Luftfedern zu behindern· Durch !solche Wankstützen wird der Wankwinkel des Wagenkastens um seine Längsachse reduziert, wodurch verhindert wird, daß sich Schwerpunktverlagerungen auf das Drehgestell auswirken und zusätzliche Achslastunterschiede erzeugen, die wieder eine Verkürzung der Sinuswelle bewirken würden«,

'Ein Ausführungsbeispiel eines Schienenfahrzeuges nach der Erfindung ist in den Figuren dargestellt»

!Figur 1 zeigt in Seitenansicht einen Teil des Wagenkastens mit !einem einzelnen Drehgestell»

■Figur 2 zeigt das Drehgestell nach Figur 1 bei abgenommenem Wagenkasten von oben gesehen«

Figur 3 zeigt in perspektivischer Ansicht den Drehgestellrahmen.

Figur 4 zeigt in Ansicht einen einzelnen Radsatz des Drehgestelles nach Figur 1 und 2.

Figur 5 zeigt einen Schnitt durch eines der äußeren Radsatzlage-rar. Figur 6 zeigt einen Schnitt durch ein mittleres Radsatzlager.

Das Schienenfahrzeug gemäß der Erfindung wird in der Regel zwei der Drehgestelle, wie sie in Figur 1 und 2 dargestellt sind, besitzen. Es können sich aber auch die Enden zweier Wagenkasten über eine Brücke auf ein derartiges Drehgestell abstützen. Der Wagenkasten 16 ruht auf einem Zwischenträger 17, der um den Drehzapfen 13 gegen den Wagenkasten schwenkbar istjobei sich der Wagenkasten über Gleitstücke 17 auf den Zwischenträger abstützt. ₍ Der Zwischenträger 17 ruht über zwei Luftfedern 9 und 10 auf dem ,

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Drehgestellrahmen l_o Der Drehgestellrahmen 1 ist ein geschweißter Rahmen, der in an sich bekannter Weise verwindungsweich gestaltet ist, was dadurch erreicht wird, daß die Längs- und Querträger keine geschlossenen, sondern offene Profile besitzen. Wie Figur 3 zeigt, besteht der Drehgestellrahmen außer den Längs-, trägern 18, 19, den Querträgern 20, 21 und der durchgehenden Platte 22 noch aus einem zusätzlichen Längsträger 23, der sich in der Mitte zwischen den Längsträgern 18 und 19 befindet und in der Ruhelage zu diesem parallel ist. Werden die beiden Längs-. träger 18, 19 beim verwinden des Drehgestelles um die Querachse gegeneinander verdreht* so nimmt der mittlere Längsträger 23 eine Winkelstellung ein, die den Winkel zwischen den Längsträgern 18 und 19 halbiert.

Wie in Figur 1 und 2 dargestellt, ist der Drehgestellrahmen 1 mit dem Zwischenträger 11 einerseits durch die Anlenkstangen 14, 15 und andererseits durch die Wankstütze 12 verbunden· Diese Anlenkstangen dienen zur Übertragung der am Drehzapfen 13 des Wagenka-^! stens eingeleiteten Zugkräfte und zwingen andererseits, wie be- '■ reits erwähnt, den Zwischenträger, Drehbewegungen des Drehgestel-[ les um den Drehzapfen 13 zu folgen, so daß die Schlingerbewegun-j j gen des Drehgestelles durch die Reibung der Gleitstücke 17 unter-} bunden werden. Um die schwingungsmäßige Entkoppelung zwischen Drehgestell und Wagenkasten nicht zu beeinträchtigen, sind die Anlenkstangen zweckmäßig radial und kardanisch 'in Gummigelenken gelagert.

Die Drehstab-Wankstütze 12 besteht in bekannter Welse aus einem Torsionsstab, an dessen beiden Enden waagerechte Hebel fest aufgesetzt sind, die über senkrechte Verbindungsstangen mit dem Drehgestell verbunden sind, so daß senkrechte Bewegungen des Wagenkastens zum Drehgestell in keiner Weise behindert werden, weil sich dabei die waagerechten Hebel auf beiden Seiten des Wagens gleichsinnig bewegen, während einer seitlichen Neigung des Wagenkastens entgegenwirkt, daß sich dabei die waagerechten Hebel der Wankstütze im entgegengesetzten Drehsin gegeneinander !verdrehen, wobei der Torsionsstab elastisch verbunden wird und

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dadurch eine Kraft erzeugt, die den Wagen in seine Ruhelage zurückbringen versucht.

Jedes der Räder 3 ist mit einer Radwelle 7 bzw. 8 fest verbunden. In den äußeren Radsatzlagern 4, 6, die an den äußeren Längsträgern 18, 19 über sehr harte Federungen angeordnet sind, sind die Radwellen 7, 8 in Wälzlagern 24 gelagert, die in axialer Richtung ein Spiel d zulassen. In dem mittleren Lager 5 enden die beiden Radwellen 7, 8, wobei im Ruhezustand zwischen ihren Enden der Abstand s besteht. Die Enden beider Radwellen sind mit Keilnuten versehen und werden von den ebenfalls mit Keilnuten versehenen Hülsen 25, 26 umfaßt. Die beiden Hülsen sind durch die Keile 27 unverdrehbar mit den zugehörigen Wellen verbunden, lassen aber eine Verschiebung der Wellen in axialer Richtung zu. Die beiden Hülsen 25, 26 werden von einer unter Vorspannung eingebrachten oder einvulkanisierten Gummizwischenlage 28 und diese wieder von einer Hülse 29 umfaßt. Auf diese Weise sind die beiden Wellen 7 und 8 so miteinander gekuppelt, daß Drehmomente von einer Welle auf die andere übertragen werden, dabei jedoch die beiden Wellen sich um den Betrag d^ elastisch gegeneinander verdrehen können. Für den Fall, daß extrem hohe Drehmomente auf— ! treten, denen die Gummizwischenlage 28 nicht mehr gewachsen wäre, kann zwischen den Hülsen 25, 26 einerseits und der Hülse 29 noch eine Klauenkupplung 30 vorgesehen sein. Die Hülse 29 ist im Rollenlager 5 mittels eines Wälzlagers 31 gelagert.

Die beiden Radwellen 7, 8 sind axial durchbohrt und in diesen Wellen befindet sich ein Stab 32, auf den, wie in Figur 5 dargestellt, an beiden Enden Muttern 33 aufgesetzt sind, die mit Anschlagflächen so zusammenwirken, daß der Höchstabstand der Räder 3 dadurch begrenzt ist.

Wie insbesondere aus Figur 4 ersichtlich, können die Räder 3 zusammen mit ihren Halbwellen 7 bzw. 8 unabhängig voneinander Bewegungen d und d ausführen und können sich um d-j- gegeneinander verdrehen. Auf diese Weise wird erreicht, daß Errequnqskräfte, die durch den Sinuslauf oder durch unebene oder verworfene Schienen erzeugt werden, nicht von einem zum anderen Rad

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SAD ORlQfNAL

eines Radsatzes übertragen werden, sondern auf das eine Rad beschränkt bleiben. Durch die Torsion d-τ-" werden unterschiedliche Weglängen der beiden Räder, die beim Sinuslauf entstehen, ausgeglichen, was zur Streckung der Sinuswelle beiträgt.

Auf den Radwellen 7, 8 können Bremsscheiben 34 angeordnet sein. Durch die Bremsscheiben wird die Beweglichkeit der Räder nicht beeinträchtigt, und die Kupplung zwischen den Radwellen 7, 8 nicht belastet, vorausgesetzt daß de Bremsen gleich eingestellt sind.

Beim Verwinden des Drehgestelles, beispielsweise beim Einfahren in eine Kurveneinfahrtsrampe, bleiben die Rollenlager 4, 5, 6 eines Radsatzes annähernd in einer geraden Linie, d.h. die Abweichungen von der geraden Linie sind kleiner als die durch den Winkel d gezogenen Grenzen.

Patentansprüche ι

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Claims (1)

1. Q Patentansprüche

   Schienenfahrzeug, insbesondere Reisezugwagen für hohe Fahrgeschwindigkeiten mit verwindungsweichem Drehgestellrahmen und Luftfederung zwischen Drehgestell und Wagenkasten, dadurch ge- ; kennzeichnet, daß jeder Drehgestellrahmen (1) drei Längs-

   • träger (18, 19, 23) und für jedes Räderpaar (3) drei Achslager (4, 5, 6.) aufweist, wobei die beiden äußeren Achslager j (4, 6) außerhalb der Räder liegen und die Radwellen (7, 8) , im mittleren Lager (5) unterbrochen und über eine Drehmomente übertragende, elastische Kupplung (25, 26, 27, 28, 29) miteinander verbunden sind.

   j 2. Schienenfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwei Luftfedern (9, 10) zwischen jedem Drehgestellrahmen (1) und einem Zwischenträger (11) befinden und jeder Zwischenträger mit dem Wagenkasten (16) durch einen Drehzapfen (13), mit dem Drehgestell durch Anlenkstangen (14, 15),. die hori-

   : zontale Kräfte übertragen, jedoch senkrechte Bewegungen nicht behindern, verbunden ist.

   . 3. Schienenfahrzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wagenkasten (16) über Gleitstücke (17) auf dem Zwischenträger (11) aufliegt.

   4. Schienenfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckräume je zweier zueinander symmetrisch zur Längsmittelebene angeordneter Luftfedern (9, 10) miteinander in unmittelbarer Verbindung stehen und der Zwischenträger (11) mit dem Drehgestellrahmen (1) durch eine Drehstab—Wankstütze (12) verbunden ist.

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