DE2356267A1 - Verfahren zur minimisierung der pendelbewegungen und zur verbesserung der kurvengaengigkeit des fahrgestells eines schienenfahrzeuges - Google Patents

Description

PATENTANWÄLTE

DR.-ING. VON KRPUtLsH DR.-NG. SCHÖN WALD DR.-ING. TH. MEYER DR. HUES DIPL-CHEM. ALEK VON KREJSLER DIPL.-CHEM. CAROLA KELLER DR.-ING. KLÖPSCH DIPL.-ING. SELTING

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9, 11.73

Sg/rö

SOUTH AFRICAN INVENTIONS DEVELOPMENT CORPORATION, Administration Buildings, C.S.I.R. Scientia,. Pretoria, Transvaal / Südafrikanische Republik

Verfahren zur Minimisierung der Pendelbewegungen und zur Verbesserung der Kurvengängigkeit des Fahrgestells eines Schienenfahrzeuges .

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Minimiesierung der Pendelung und zur Verbesserung ,der Kurvengängigkeit bei einem mit mindestens zwei Radsätzen versehenen Schienenfahrzeug, dessen Radsätze jeweils zwei fest an einer gemeinsamen Achse montierte Räder aufweisen, sowie ein" nach diesem Verfahren hergestelltes Laufwerk.

Bei Schienenfahrzeugen ist die Bekämpfung der auftretenden Seitenschwingungen von großer Bedeutung. Dieses Problem ist jedoch mit dem Problem der Lenkbarkeit des Fahrzeuges verknüpft.

Schienenfahrzeuge sind dynamisch instabil und die verschiedenen Teile des Fahrzeuges neigen dazu, seitlich z.u schwingen, wenn das Fahrzeug sich bewegt. Die Wirkung dieser Schwingungen wird gemeinhin als Pendeln bezeichnet und man muß zwischen Wagenkasten-, Drehgestellrahmen-, und

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Radsatz- Pendelungen unterscheiden.

Man hat herausgefunden, daß es für die Führung des Fahrzeuges bei Kurvenfahrten und zur Korrektur von Richtungsabweichungen von der Gleisachse zweckmäßig ist, eine Radsatz anordnung zu verwenden, bei der die Räder mit konischen oder profilierten Radlaufflächen starr an geraeinsamen Achsen befestigt sind. Diese Anordnung ist wegen der Konizität der Räder und infolge der zwischen den Rädern und Schienen wirkenden Kriech- und Gleitkräfte dynamisch instabil. Diese Instabilität äußert sich in sinusförmigen Schwirgmgen der Radsätze, deren Frequenz in erster Linie von der Fahrzeuggeschwindigkeit abhängt. Ferner haben die Radsätze Eigenschwingungen, weil sie über elastische Lagerelemente mit dem Fahrzeug verbunden sind. Bei bestimmten Geschwindigkeiten überlagern sich die Eigenschwingungen und die geschwindigkeitsabhängigen Schwingungen,und die Amplitude dieser resultierenden Schwingung stellt einen Faktor dar, der in der Praxis die Maximalgeschwindigkeit des Fahrzeuges beschränkt.

.Man hat herausgefunden, daß eine vergrößerte Laufflächenkonizität der Räder die kritische Geschwindigkeit für Radsatzpendelungen verringert und daß geringeres Spurspiel oder vergrößerter Kurszwang der Radsätze diese kritische Geschwindigkeit erhöhen. Aus diesen Gründen verwenden bekannte Lagerungen relativ steife Längselemente wie Achshalter, Radiusarme, Anker u.dgl., und relativ geringe Laufflächenkonizitäten im Bereich von 1:20 bis l:40. Der zuletzt genannte Wert wird für Hochgeschwindigkeits-Passagierfahrzeuge verwandt. Die steifen Längseleniente stellen sich jedoch Gierbewegungen der Radsätze entgegen und bei der Kurvenfahrt tritt Radgleitung auf den Schienen auf, wobei sogar in mäßigen Kurven der Spurkranz des Außenrades des vorderen Radsatzes die

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Innenseite der Schiene berührt. Ferner berücksichtigen geringe Laufflächenkonizitäten nicht den korrekten oder optimalen Unterschied der RoI!durchmesser von Innenrad und Außenrad beim Durchfähren einer Kurve. Bei konventionellen Fahrgestellen besteht daher ein Konflikt zwischen Badsatζpendelungen und Kurvengängigkeit.

Ein weiteres Problem besteht bei den bekannten Konstruktionen darin., daß es schwierig ist, "Standard-Abnutzungs"-Profile für die Radlaufflächen zu verwenden, d.h.' Profile, bei denen die Konizität sich bei zunehmender Laufflächenabnutzung nicht stark ändert. Radlaufflächen haben wegen des Pendeins und wegen des Unvermögens der Räder bei einer Kurvenfahrt der Gleiskrümmung· zu folgen (weil- sie auf die Berührung Lauffläche/Schiene angewiesen sind), eine große Verschleißneigung.

Aus den oben dargelegten Gründen und aufgrund anderer Betrachtungen,beispielsweise der Fahreigenschaften, Herstellungskosten usw. wurde die'Fahrgestellkonstruktion darauf konzentriert, einen Kompromiß zwischen den verschiedenen Parametern zu erhalten, um auf diese Weise eine Optimallösung zu schaffen. Solche Kompromisse verringern zwar die Probleme, aber sie beseitigen sie nicht.

Die oben aufgeführten Bemerkungen können durch die folgende mathematische Analyse der Schienenabstützung erläutert werden. Unter Zugrundelegung der Pseudo-Gleittheorie können die in den Berührungsbereichen zwischen . Rädern und Schienen wirkenden Kräfte ermittelt werden und von diesen Kräften können die Bewegungsgleichungen für die Seitenschwingung des Fahrzeuges abgeleitet werden. Die Lösung der Glei chungen ergibt die durch Gleisunregelmäßigkeiten hervorgerufenen Schwingungen der Rad-

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sätze,des Drehgestellrahmens und des Wagenkastens. Unter Vernachlässigung der Trägheitskräfte des Drehgestellrahmens und des Wagenkastens sowie der Dämpfungselemente der Lagerung zeigt die. Analyse, daß alle Schwingungen stabil sind (d.h. die Schwingungsamplitude neigt dazu, mit der Zeit kleiner zu werden), solange die Vorwärtsgeschwindigkeit V des Fahrzeuges innerhalb der durch die folgende Gleichung gegebenen Grenzen liegt:

Ar₀ k kb²

—"{— +

γ H M£²

(1)

Hierin bedeuten :

21 = Entfernung der Rad/Schiene-Berührungsstellen derselben Achse,

2b = Entfernung zwischen federnden Elementen auf derselben Achse,

Y" = wirksame Konizität des Radlaufflächenprofiles,

r .= Rollradius des Rades bei Normalposition des Radsatzes auf gerader Strecke,

k = Längssteif igke.it und

k_T = Seitenäeifigkeit der federnden Elemente zwischen den Radsätzen und Drehgestellseitenrahmen, und

M = Masse eines jeden Radsatzes.

Aus Erfahrung weiß man, daß die Stabilität eines Fahrzeuges mit größerem Rückstellzwang oder größerer Steifigkeit und kleinerer Laufflächenkonizität wächst. Dies zeigt die obige Beziehung, die beweist, daß Theorie und Praxis gut übereinstimmen, ganz klar.

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(k~ kann normalerweise groß gemacht werden; dies würde zu einer starken Rückwirkung des Wagenkastens und zu schlechter Fahrqualität führen).

Eisenbahnräder nutzen sich während des Betriebes in erster Linie infolge des Schiene/Rad-Spurkranzkontaktes während der Kurvenfahrt ab. Die Theorie zeigt, daß eine solche Berührung vermieden werden kann, und daß gleichzeitig eine erhebliche Abrollbewegung der Räder beibehalten werden kann, wenn für die normalen Kurvenradien der Eisenbahngesellschaften die folgende Beziehung eingehalten wird:

< fr

(2), mit

W = Achslast,

R =" Krümmungsradius der profilierten Radlaufflächen, und

O₀= Winkel zwischen der Rad/Schiene-Berührungsebene und . der Horizontalen, wenn der Radsatz die Mittelposition einnimmt.

Ein Vergleich zwischen den' Gleichungen (1) und (2) veranschaulicht den erwähnten Konflikt zwischen hoher Pendelstabilität (die eine hohe Steifigkeit k und eir-e geringe Konizität Y erfordert) und guter Kurvengängigkeit (die eine geringe Steifigkeit k und eine große Konzität γ erfordert).

Die Erfordernisse für Pendelstabilität werden fern-er durch Rückwirkung der Trägheitskräfte des Drehgestellrahmens oder des Wagenkastens kompliziert, die instabile Schwingungen bei Geschwindigkeiten verursachen, bei denen

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die kinematische Frequenz der Radsätze ( ^v>/xr₀ ^ mit der den Eigenfrequenzen der Pahrzeugmassen übereinstimmt. Dies kann man wiederum mathematisch beschreiben, indem man die Trägheitskräfte der Fahrzeugmassen in die Bewegungsgleichungen einsetzt. Wenn beispielsweise die aus der Rotationsbewegung des Drehgestellrahmens um das Lagerzapfenzentrum,das den Wagenkasten mit dem Drehgestell verbindet, herrührenden Trägheitskräfte mit in die Gleichung einbezogen werden, dann muß als zusätzliche Stabilitätsbedingung die folgende Beziehung erfüllt sein:

₀ 4 {a²k + b²k}
Y <

(3)

Hierbei ist

C = Trägheitsmoment des Drehgestellrahmens um den Lagerzapfen, und
a β halbe Radbasis des Drehgestells.

Für normale Fahrzeugparameter ist die durch Gleichung (3) gegebene kritische Geschwindigkeit kleiner als diejenige kritische Geschwindigkeit, die man aus Gleichung (1) erhält. Auch hier kann der stabile Geschwindigkeitsbereich vergrößert werden, indem man k größer und/oder y kleiner macht. Beide Veränderungen beeinträchtigen die Kurvengängigkeit der Räder.

Für die Zwecke dieser Beschreibung seien noch die folgenden Ausdrücke definiert:

f = Kriechkoeffizient, der eine Punktion der Achslast ist,

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-Y-

j f>- = Dämpfungskoeffizienten eines Viskositätsdämpfers · oder Reibungsdämpfers,der parallel zur Lagersteifigkeit k bzw. k„ liegt, und

. ='Rotationsdämpfungskoeffizient zwischen Wagenkasten und Drehgestell.

Da die oben dargelegten Probleme von großer kommerzieller und praktischer Bedeutung sind, wurden erhebliche Anstrengungen unternommen, um derartige Lagersysteme zu analysieren. Insbesondere haben A.H. Wiekens und D. E. Newland u.a. sogenannte "flexible Lagerungen" erforscht. Sie haben Jedoch nie mit Kurszwangkräften, gearbeitet oder diese auch nur in Betracht gezogen, die kleiner sind als 45ΟΟ kNm/Winkelgrad, die wichtig sind für spurkranzfreies Kurvenfahren, weil sie die Pendelprobleme für unüberwindlich gehalten hatten. Sogar mit Rückstellkräften größer als 4-500 kNm/Gierungswinkelgrad ist Dämpfung zur Minimisierung der Rückwirkung der Eigenschwingungen der Fahrzeugmassen wichtig. Newland hat vermutet, daß sogar mit den vorgeschlagenen geringen Steifigkeiten ein spurkranzfreies Kurvenfähren bei Kurvenradien kleiner als 0,47 Meilen auf einem 4'8,5''-Gleis nicht erreicht werden kann. Am Ende ihrer.Konstruktionen sind noch Kompromißlösungen zwischen Pendelstabilität und Kurvengängigkeit. Wickens hat begrenzten Erfolg damit gehabt, bei einfachen vierrädrigen Fahrgestellen flexible Lagerungen zu verwenden, ist jedoch zu .dem Ergebnis gekommen, daß solche Lagerungen wegen der komplexen Situation bzgl. der Pendelstabilität nicht bei Drehgestellfahrzeugen verwendet- werden können. In der Tat sind dreizehn Pendelinstabilitäten als Resonanzspitzen vorhanden.

Um die Erfindung detaillierter zu beschreiben, seien zunächst die Bewegungegleichungen eines freilaufenden

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auf dem Boden abgestützten Radsatzes (wie auf einem Rollgestell realisiert werden kann) analysiert. Die Grundgleichungen eines solchen Rades sind:

Η£²θ + |ί£²θ + 2kb²8 + 2fAl y = 0 (10·. 2)

y = Abweichung eines Radsatzes quer zum Gleis, und θ = Gierungsverschiebung des Radsatzes ist.

Die obigen Simultangleichungen können nach Euler gelöst werden, indem man setzt y = θ = e

Μλ² + £1λ + 2k - 2f = O "..:-. ...,.(12.1)

2f ^- + MA²X² + ψ I²X + 2kb² = 0 (12.2)

Teilt man Gleichung 2.1 durch M und Gleichung 2.2 durch

Ml , so ist dies annähernd gleich dem Trägheitsmoment eines gierenden Radsatzes. Die Lösung der Gleichungen ergibt:

VM L VM MA² Mj⁺ VM LM£² M^T j

K £r₀ MA² M

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Die quadratische Gleichung (15) wird konventionell gelöst und ergibt zwei reelle Wurzeln entsprechend der seitlichen Translation und der Gierungseinsenkung des Radsatzes und zwei leicht gedämpfte komplexe Wurzeln für Gierung und seitliche Verschiebung= Die Dämpfung der Einsenkungen ist groß und kann normalerweise vernachlässigt werden. Für die komplexe Wurzeln wächst die Dämpfung mit den schwerkraftbedingten und elastischen Zwangskräften, die ein Kriechen verursachen, und verringert sich mit den Trägheitskräften, die ein Kriechen im entgegengesetzten Sinne bewirken. Die Trägheitskräfte wachsen mit der Geschwindigkeit an, so daß sie eventuell dominieren und das System instabil ist. Eine Analyse der oben durchgeführten Art ist bekannt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Lagerung für ein Schienenfahrzeug zu schaffen, die den Konflikt.zwischen Pendelstabilität und Kurvengängigkeit in zufriedenstellender Weise löst.

Für die Zwecke dieser Beschreibung ist der Begriff "Laufwerk" so definiert, daß es sich um das Basisteil eines Schienenfahrzeuges' handelt, das aus einem Radkasten oder einem Rahmen bestehen kann, der mit zwei oder drei Radsätzen ausgestattet ist. Ein Laufwerk ■ in diesem Sinne kann daher ein konventioneller vierrädriger Wagen sein oder ein Drehgestell. Im zweiten Fall wird auf zwei Drehgestellen ein Oberbau mit Drehzapfen montiert, um das Fahrzeug zu bilden. Der Ausdruck "Oberbau" bezieht sich speziell auf ein Drehgestellfahrzeug.

Gemäß der Erfindung werden bei einem Verfahren zur Minimislerung der Pendelbewegungen und zur Verbesserung der Kurvengängigkeit eines Fahrgestellsj das mit mindestens

ÖWÖINAL INSPECTED

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zwei Radsätzen ausgestattet ist, die folgenden Verfahrenssohritte angewandt:

a) die Radsätze werden so montiert, daß sie Gierbewegungen ausführen können;

b) der Kurszwang in bezug auf das Laufwerk wird auf Werte reduziert, die' kleiner sind als 2000 kNm/ Gierungswinkelgrad;

c) die Radlaufflächen werden so profiliert, daß ihre

wirksame Konizität größer ist als 1:20; und

d) die Gierbewegung und die Seitenbewegung der Radsätze relativ zum Fahrgestell werden gedämpft.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird in einem weiteren Verfahrensschritt ein Oberbau auf mindestens zwei Laufwerken montiert.

Die Erfindung betrifft ferner ein Laufwerk mit mindestens zwei Radsätzen, die so montiert,sind, daß sie Gierbewegungen und Seitenbewegungen durchführen können. Ein solches Laufwerk ist erfindungsgemäS dadurch gekennzeichnet, daß

a) die Gierungszwangskräfte bezogen auf das Laufwerk

auf weniger als 2000 kNm/Gierungswinkelgrad begrenzt sind;

b) die Radlaufflächen profiliert sind_: und eine wirksame Konizität haben, die größer ist als 1:20; und

c) Dämpfungsmittel zur Unterdrückung von Seitenschwingungen und Gierungsschwingungen vorhanden sind.

Gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung ist ein Fahrzeug vorgesehen, dessen Oberbau auf mindestens zwei Drehgestellen montiert ist, die als Laufwerke in dem oben erläuterten Sinne ausgebildet sind.

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Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Figuren an bevorzugten Ausführungsbeispielen näher erläutert. ' .

Fig. 1 zeigt ein Drehgestell-Schienenfahrzeug, das mit der erfindungsgemäßen. Lagerung bzw. Aufhängung ausgestattet ist,

Fig. 2 zeigt zur Verdeutlichung, besti mmter Abmessungen und geometrischer Verhältnisse eine schematische Ansicht eines Radsatzes,

Fig.-3 ist eine Draufsicht auf ein mit einer Ausführungs- , form eines Längsankers ausgestattetes Drehgestell,

Fig. 4 zeigt eine zweite Ausführungsform, und Fig. 5 ein Detail von Fig. 4.

Fig. 6 und 7 stellen eine Draufsicht und eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform dar,

Fig. 8 und 9 stellen eine Draufsicht und eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform dar,

Fig. 10 und 10a zeigen ein Kupplungsteil,

Fig. 11 und 12 stellen eine Draufsicht und eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform dar,

Fig. 13 und 14 zeigen eine Draufsicht und eine Seitenansicht eines vierrädrigen Wagens, der mit einer Ausführungs form der erfindungsgemäßen Lagerung ausgestattet ist,

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Figo 15 und 16 zeigen eine Draufsicht und eine Seitenansicht eines mit Gliederquerlenkern ausgestatteten dreistückigen Drehgestells _s

FIg₀ 17 "zeigt eine Ausführungsform eines Pendelstabilisators für den Wagenkasten,

Figo 18 und 19 zeigen zwei Ausführungsformen einer erfindimgsgemäßen. Lagerung zur Kupplung dreier Radsätze,

Fig. 20 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, ·

Fig. 21 eine Variation der Ausführungsform von Fig. 20, und

Fig. 22 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Gelenkverbindung.

Eine Ausführungsform der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 5 im einzelnen erläutert.

In den Zeichnungen ist das Drehgestell 10 eines Schienenfahrzeuges mit Wagenkasten 100 dargestellt. Das Drehgestell 10 ist im wesentlichen als konventionelles dreistükkiges Drehgestell mit zwei Radsätzen 13* an den Radsätzen montierten Seitenrahmen 16 und einer Wiege 18 ausgebildet, die in der Mitte zwischen den Seitenrahmen und parallel zu den Radsätzen angeordnet ist. Die Wiege 18 ruht auf Schraubenfedern 20 und ist in Längsrichtung durch ein bekanntes System aus Keilen I08 und Reibplatten 110 positioniert. Die Keile werden durch Federn 112 gegen die Wiege l8 in Position gehalten. Dieses System erlaubt Bewegungen der Wiege in Querrichtung zu den Seitenrahmen. Diese Querbewegung wird durch (nicht dargestellte) Anschläge begrenzt.

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Die generell mit 22 bezeichneten Enden der Seitenrahmen haben Brückenkconfiguration* Die Basisflächen der Brückenabstützungen sind mit 23 und 23' bezeichnet., Jede BesLs ruht auf einem federnden Verbundelement 24, das alternierende Schichten aus Stahlplatten und Gummipolstern enthält. Verbundelemente werden deshalb verwendet, v/eil sie so konstruiert werden können, daß sie geringe Federsteifigkeiten in Längsrichtung und in Seitenrichtung haben. An ihrer Stelle können auch andere Federelemente verwendet werden, die diese Eigenschaften haben, z.B. Schwinggelenke. (Tatsächlich sind Schwinggelenke vorteilhaft, weil bei ihrer Verwendung die Steifigkeiten in Längsrichtung und in Seitenrichtung linear mit der Masse variieren. Sie sind jedoch in der Konstruktion komplizierter und daher teurer). Die FedeieLemente 24 sind auf horizontalen Flanschen 28 montiert, die an Achslager-Anpaßstücken 26 vorgesehen sind. Die Anpaßstücke können in herkömmlicher Weise konstruiert sein und haben zusätzlich Flansche 28. Die Anpaßstücke 26 sind an Lagern 15 montiert, die auf starr an den Rädern 12 befestigten Achsen 14 aufruhen. Die Räder sind mit "Verschleiß-angepaßten"standard-profilierten Laufflächen ausgestattet.

Es sollte vermerkt werden, daß (gemäß Fig. 2) die Berührungsflächen zwischen den Fedeiä-ementen 24 und den Flanschen 28 auf den Anpaßstücken 26 in einer gemeinsamen Horizontalebene liegen, die durch die Längsachse der Radachse 14 hindurchgeht. Wenn dies aus konstruktiven Gründen unzweckmäßig ist, dann können die Federelemente im Abstand von dieser Horizontalebene liegen, jedoch nur dann, wenn eine Feder in einer bestimmten Entfernung oberhalb der Horizontalebene und die andere Feder in derselben Entfernung unterhalb der Horizontalebene liegt. Diese Anordnung der Berührungsfläche ist notwendig, um sicher- zustellen, daß kein Moment auf das Anpaßstück 26 einwirkt,

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- ik -

wenn der Radsatz in Gierung ist (bei Seitenverschiebung der Räder), d.h. es darf keine Drehung des Anpaßstückes 26 um die Achse 14 stattfinden.

Die Federelemente 24 (gleich welcher Art) haben inhärente Dämpfungseigenschaften. Um sowohl die Dämpfung zu vergrößern als auch eine Dämpfungscharakteristik erzeugen zu können, die willkürlich ausgewählt werden kann, sind viskose Dämpfer oder Reibungsdämpfer 30 in Längsrichtung und seitlich zwischen den Seitenrahmen 16 und den Anpaßstücken 26 vorgesehen. Es kann auch ein Einzeldämpfer vorgesehen sein, der unter einem Winkel angreift.

Der Radkasten 100 ist auf dem Drehgestell 10 mittels eines Zentrierungslochzapfens 106 befestigt, der mit einer auf der Wiege 18 montierten Verschleißplatte 104 versehen ist. An dem Radkasten 10 ist ein entsprechender Drehzapfen angebracht, der in den Loch-zapfen 106 eingreift. Damit kann das Drehgestell sich relativ zu dem Radkasten frei drehen.

Bezugnehmend auf die oben erwähnten Gleichungen (1) und (3) kann man zeigen, daß durch Einführung von Dämpfungsmitteln (^J; βγ parallel zu den Lagersteifigkeiten diese Gleichungen in die.Stabilitätsbedingungen (la) bzw. (3a) transformiert werden:

2f

f + 2ν(ρ_τ+ p|j

_\ ^kb2

M MA²

^pb

CM

ΪΓ ⁺ Ϊϋ*⁾⁽~ C ~~ " Ir,* " tr,

P_rot/2)(P_T * P^) * BCfc/a'l'+fc'b«)

Kl²C

4f

* 2v(e_T +

kb») _

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Bsi der oben toes ehr jä>enen Ausführungsform können die Feder- und Lagerparameter nun in der Meise ausgewählt oder· abgestimmt'werden, daß der Zähler in Gleichung (3a) annähernd Null wird;, wenn der Nenner Null wird (dies ist notwendig, um eine kritische Instabilität zu vermeiden),, ZoBo für

k_Ta²

>2

■f_+.2v(p_r> p|₂) _ ; *_ .- , _gllt

2v(p_T+ pp

2 'U,2 ν VZK¹*

k²a²+ k_Tkb²'l+a² + k²b ν F²' · T²"

t 2k_Tkb

(k_ra²+kb²)(2_PTa²+2pb²)(p_T+p|2) 4f

_: ■■—i— χ

■ C · f + 2V(P₅.+ f₂)

In diesem Fall wird der Destabilisierungseffekt der Schw-ingung des Drehgestellrahmens vollständig unterdrückt und das Fahrzeug ist für den gesamten durch Gleichung (la) gegebenen Geschwindigkeitsbereich stabil, d.h. bis zu den Radsatz-Pendelgeschwindigkeiten. Man erkennt ferner, daß die Pendelstabilitätsgeschwindigkeit infolge der Dämpfungsmittel ρ j p_T höher liegt als die durch Gleichung (1) gegebene Geschwindigkeit. Auf diese Weise kann man daher eine hohe Pendelstabilität erhalten, ohne zu einer Federsteifigkeit k Zuflucht nehmen zu müssen, die größer ist als die durch Gleichung (2) gegebene Federstabilität. Man kann daher eine gute Kurvengängigkeit erzielen, wobei eine Berührung zwischen -Schiene und Spurkranz nur in schärferen Kurven erfolgt.

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Instabilitäten,, die durch die Trägheitskräfte des Radkastens erzeugt werden,, werden in gleicher Weise durch Abstimmen der Seitensteifigkeit der Federn 2Oj, der Seitendämpfer 28 und der Rotationsdämpfung am Drehzapfenlage_r auf die anderen schon erwähnten Lagerparameter unterdrückt . -■

Durch Auswahl der Laufflächenprofile, der Steifigkeiten der Elemente 24 und Federn 20 und der Charakteristiken des Dämpfers 30 in der erfindungsgemäßen Weise erhält man eine maximale Dämpfung sowohl der Radsatzpendelung als aueh unerwünschter Schwingungen der verschiedenen Massen des Fahrzeuges.

Bevorzugte Werte für die Giersteifigkeit liegen im Bereich von 1000 bis 2000 kNm/Gierungswinkelgrad, wobei die Konizität im Bereich von 0,05 bis 0,15 liegt.

Geeignete Werte, die sich zur Erzielung von Pendelstabilität oberhalb von l40 km/h als geeignet erwiesen haben und gleichzeitig eine ausreichende Gierung (Kursabweichung) ermöglichen, um spurkranzfreies Durchfahren von Kurven mit Radien von mehr als etwa 500 Metern zu ermöglichen, haben Rückstellkräfte oder Steifigkeiten von etwa 1400 Kilo Newton Meter pro Winkelgrad und Konizität in der Größenordnung von 1:10 oder 0,1.

Es seien Parameter für Schmalspurbetrieb angenommen,
wie er z.B. in Südafrika üblich, ist. Die Spurweite beträgt hierbei 1,065 m, 1 = 0,58 m; r = 0,45 m; a = 0,9 mj
C = 4,05 x 10^ kgf sec²cmj M= 1,0 kg/se^cm"¹ k = 1000 kg'f/cm = k„ (Man beachte, daß konventionelle Lagerungen Steifigkeiten haben, die fünfzehnmal größer sind als
dieser Wert und noch größer); Ύ= 1/10 = 0,1 (die Standardkonizität für Waggons beträgt 1/20 = 0,05 und für

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^: Hochgeschwindigkeitszüge l/40 » O₅025)«

Um Gleichungen (4a) und (4a') zu.erfüllen, wird f = β. -20 kgf χ sec cm" gewählt» Mit diesen Werten ist Gleichung (4a) bei einer Geschwindigkeit von etwa V = 4000 cra/sec erfüllt.

Wenn man diesen Wert von V* und die anderen oben genannten Parameter einsetzt, sieht man^, daß Gleichung (4b) ebenfalls annähernd erfüllt ist. Dies bedeutet, daß der Wert von Gleichung (3a) für alle Geschwindigkeiten V größer ist als Null, d.h„ !Stabilität bei allen Geschwindigkeiten. Die normalerweise von der Drehung des Drehgestellrahmens verursachte Instabilität wird auf diese Weise vollständig unterdrückt, indem man die Federung in geeigneter Weise abstimmt und nicht indem man hohe Steifigkeiten k oder geringe Konizitäten y verwendet, die die Kurvengängigkeit beeinträchtigen würden. Den Geschwindigkeitsbereich, für den das Fahrzeug (Drehgestell) stabil ist, erhält man aus Gleichung (la), d.h. V beträgt annähernd 4-00 km/h. Die kritische Geschwindigkeit dieses Fahrzeuges liegt weit oberhalb der normalen maximalen Betriebsgeschwindigkeit, und dies wurde unter relativ geringer Beeinträchtigung der Kurvengängigkeit des Fahrzeuges erreicht. '

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß es sogar bei höheren Konizitäten im Bereich von 0,2 bis 0,5 und geringer Steifigkeit der Längsführung (Gierungssteifigkeit) z.B. im Bereich von 80 bis 750 kNm/Winkelgrad möglich ist, eine spurkranzfreie Kurvenfahrt bei allen normalen Kurvenradien zu erreichen (auf Kosten der Tatsache, daß nur die Pendelinstabilitäten des Wagenkastens' und nicht des Drehgestells unterdrückt werden). Dies, gilt sogar für Kurvenradien von bis zu 100 Metern, die schon als außergewöhnlich klein bezeichnet werden müssen. Geeig-

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nete Werte für Kurvenradien, die ^röiier sind als 100 Meter, liegen etwa bei 500 Kilo Newton Meter pro Winkelgrad und Konizitäten in der Größenordnung von 0,25« Mit diesen Werten tritt Drehgestell-Instabilität auf einem 1,065 m-Gleis bei etwa 100 km/h und auf einem 4^f 8,5^ft-Gleis bei 120 km/h auf. Dies ist für Güterfahrzeuge mehr als zufriedenstellend. Bei einer derartigen Anwendung ist die Abnutzung der Laufflächen und Spurkränze minimal. Die Räder müssen daher nicht so häufig bearbeitet und ersetzt werden wie früher. Die Verwendung von verschleiß angepaßtem Standardprofil ("standard wear") bedeutet, daß sich die Pendelstabilitat und die Kurvengangigkeit mit zunehmender Abnutzung nicht verschlechtern. Man nimmt an, daß infolge der stark verbesserten Pendelstabilitat und des Vorteils der spurkranzfreien Kurvenfahrt eine Bearbeitung der Räder erst nach etwa 1.000.000 km erforderlich wird. Entsprechend werden die Schleien geschont und ihre Lebensdauer wird in gleicher Weise verlängert.

In Fig. 3 ist ein Längsanker 38 zwischen der Wiege 18 und der Mitte der Achse 14 dargestellt. Der Anker 38 enthält ein über der Mitte der Achse 14 montiertes Lager 40, ein das Lager mit der Stange 46 verbindendes Kugelgelenk und ein zweites Kugelgelenk, das die Stange 46 mit .. der Wiege 18 verbindet. Man erkennt, daß ein solcher Anker weder Gierbewegungen der Achse 14 noch seitliche Bewegungen hemmt, wenn das Lager 40 genügend Spiel hergibt. Der Radsatz wird in Längsrichtung festgehalten.

In der Praxis würde der Radsatz bei. der oben vorgeschlagenen weichen Federung dazu neigen, sich bei hohen Spannungen, wie sie bei starkem Bremsen oder starker Bescheunigung auftreten, relativ zu dem Fahrgestell in Längsrichtung zu bewegen. Der Längsanker 38 ist so konstruiert, da3 er eine derartige Relativbewegung verhindert, gleichzeitig

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die erfindungsgemäß erreichte Pendelstabilität und Kurvengängigkeit aber nicht beeinträchtigt» Ist die Wahrscheinlichkeit des Auftretens hoher Kräfte dieser Art"gering, so Kann der Anker entweder dennoch als zusätzlicher Sicherheitsfaktor verwendet oder fortgelassen werden6

In Figo 4 und 5 ist eine weitere Ausführungsform des Längsankers 50 dargestellt» Dieser enthält ein rohrförmiges Teil 52* das an seinem einen Ende mit einem flexiblen Teil 55 an einem Flansch 54 befestigt ist,, der durch Bildung einer Ausnehmung 56 in der Wiege 18 entstanden ist. Das andere Ende des rohrförmigen Teiles ist mit einem ähnlichen flexiblen Teil 55 an einem Flansch 58 befestigt. Zu diesem Zweck hat das Lager 40 vorstehende Arme 60, an denen der Flansch 58 angebracht ist. Die flexiblen Elemente 55 bestehen aus einem in das rohrförmige Teil 55 eingreifenden Schraubbolzen 62, Stahl-Unterlegscheiben 64 und 64', O-Ringen 66 und 66' aus Gummi und einer Mutter 68. Der Schraubbolzen 62 wird in das rohrförmige Teil 50 eingeschraubt. Danach wird die Unterlegscheibe 64 über den Schraubbolzen geschoben und stützt sich auf dem rohrförmigen Teil 50 ab. Danach wird der O-Ring 66 über, den Schraubbolzen geschoben. Der Schraubbolzen 62 wird dann in ein Loch 53 des Flansches 54 eingesetzt und der zweite O-Ring und die zweite Unterlegscheibe werden aufgeschoben. Schließlich wird die Mutter 68 auf den Schraubbolzen 62 aufgeschraubt.

Diese Konstruktion ist vielleicht die zweckmäßigste., weil sie in der Praxis genau wie ein Kugelgelenk wirkt, sie ' hat Jedoch den Vorteil, daß die Teile in Anpassung an die Drehgestellabmessungen frei eingestellt oder ausgewählt werden, können. Beispielsweise kann die Entfe'rnung zwischen

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der Wiege und der Achse bis zu 3 Zentimeter variieren.

Mährend nach den Zeichnungen und der Beschreibung das Element 62 in Sehraubeingriff mit dem rohrförmigen Teil 50 ist, ist es auch möglich-, diese beiden Teile zu verschweißen oder sonstwie miteinander zu verbinden. In diesem Fall können zusätzliche Stützscheiben zwischen der Scheibe' 64 und dem Teil 50 verwendet werden, um die Länge des Ankers verstellen zu können.

Unter Bezugnahme auf die Pig. 7 bis 19 wird nachfolgend eine zweite Ausführungsform der Erfindung detailliert erläutert werden.

Bei der ersten Ausführungsform wurden die Gleichungen (1) und (3) derart erweitert, daß sie die Pedersteifigkeiten, Dämfpungsfaktoren sowie die Massen und Trägheitsmomente . des Drehgestellrahmens und des Oberbaus berücksichtigen. In den Gleichungen bezogen sich k und k„ auf den Kurszwang bzw. den Zwang gegenseitiger Verschiebung der Radsätze. Diese Zwange bzw. Rückstellkräfte wurden in bezug auf das Laufwerk oder das Drehgestell als diejenigen federnden Mittel bemessen, mit denen die Radsätze an den Drehgestellseitenrahmen befestigt sind. Da das Drehgestell keine unendlich grosse Masse hat, impliziert dies tatsächlich, daß die auf jeden Radsatz wirkenden Rückstellkräfte relativ zu dem anderen Radsatz bzw. den anderen Radsätzen gemessen werden.

Bei einer zweiten Ausführungsform wird nun vorgeschlagen, die Radsätze direkt durch einen elastischen Diagonalanker miteinanfer zu verbinden. Auf diese Weise können die auf die Radsätze einwirkenden Rückstellkräfte in drei Komponenten aufgelöst werden, d.h. die Kurs-

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zwangkraft k_s die Seitenzwangkraft k„ und die Längszwangkraft k. . Dies impliziert, daß nun eine größere Freiheit für die Wahl der verschiedenen Parameter zur Erzielung einer ausgezeichneten Kurvengängigkeit vorhanden ist, während hinsichtlich der Pendelstabilität keine Verschlechterungen in Kauf genommen werden müssen. Mit anderen Worten: es ist nun möglich, die Gierungsrückstellung k so gering wie für das Kurvenverhalten nötig, zu machen und dann die zur Erzielung der Pendelstabilität benötigte Rückstellung durch ^wahl eines geeigneten Wertes für k, zu ergänzen. Ferner ist der Diagonalanker während der Kurvenfahrt unbelastet, weil die Kupplung zwischen den Radsätzen diagonal ist.

Erweitert man die Gleichungen. (1) und (3) in ähnlicher Weise wie zuvor, dann kommt man zu dem folgenden Ergebnis. Dabei muß beachtet werden, daß die Gleichungen die Anwendung bei einem Fahrzeug mit Drehgestellen vorsieht, daß jedoch Gleichungen ähnlicher Art auch für ein einfaches Fahrgestell oder für einen " Zweiachser abgeleitet ν werden können.

'Are

Zf

γ {f+2v(p +pf₂

"k * V Ich²

2Μ . M Ht²

CM

Γ7 bSi

/1 ρ_τ +Ρτ2 i

(Ib).

f4k_Ta²*4kb²}

Jtr»

4f

f ♦ 2Y(p_T+

+ kb*

V²Y

8(k*a²l² + k²b*)

4f Pk_Ta² + kb² 1 Υ²γ

f + 2ν(ρ,+pfo L ^c J tr,

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> ο

Gleichungen (Ib) und (3b) geben die Forderungen für die Stabilisierung der ersten Drehgestell-Instabilität, nämlich derjenigen der Rotation um das Lagerzentrum an. Für die anderen Drehgestell-Instabilitäten und für die Wagenkasten-Instabilitäten können andere Gleichungen abgeleitet werden. Die Gleichungen haben sämtlich ähnliche Form.

Aus Gleichung (3b) sieht man, daß Instabilität eintritt, wenn der Nenner durch Null geht,und die Lösung dieses Problems besteht darin, sicherzustellen, daß der Zähler gleichzeitig durch Null geht. Die folgenden Gleichungen müssen daher gleichzeitig erfüllt sein:

V²Y f * 4(k_Ta² + kb²) ■ f + 2v(p_T+pf₂)

(4b)

	Π + K)	4 kr	f	4kb2	4 kT	a2" + 4kb
L M V2Y .	8(pTa2 η	M - pb2 +	W	(Pr	C
Ar0				—— · +

MZ².C

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Wie bei der ersten Ausführungsform der Erfindung wird die Drehs chvd.ngung des Drehgestellrahmens nun vollständig unterdrückt und wird nicht instabil, d.ho die Schwingungsamplitude, wird nicht mit der .Zeit ansteigen« ,Das Fahrzeug wird für den von Gleichung (Ib) gegebenen Geschwindigkeitsbereich stabil sein»

Ura eine spurkranzfreie Kurvenfahrt zu erhalten und um sicherzustellen, daß die Diagonalkupplung während der Kurvenfahrt unbelastet ist, muß die Gierungsrückstellkraft der folgenden Bedingung genügen:

G_r£₂ » wobei G_r ,2M₀ ist.

G ist die durch die Schwerkraft bedingte Lagersteifigkeit.

In der Praxis wird die Gierungsrückstellkraft vorzugsvieise so gewählt, daß sie höchstens 750 kNm/Winkelgrad Gierung beträgt und die Konizitäten betragen mindestens 1:10 oder 0,1. Die Gierungsrückstellkraft, kann natürlich zu Null gemacht werden, indem man Gleitscheiben o.dgl. zwischen den Radsätzen und dem Fahrgestell vorsieht, wobei die Rückstellkraft k, vergrößert wird. .

In den Zeichnungen sind einige Beispiele diagonaler Kupplungsanker dargestellt. . . .

Fig. 6 und 7 zeigen einen Teil einer Lagerung. Die Enden, der Achse 14 sind an einem Lager 15 befestigt, an dem das Achslageranpaßstück 220 angreift. An jedem der Anpaßstükke 220 ist ein Arm eines Lenkers 222 befestigt, der aus

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einem elastischen Material, wie Messing, Bronze oder behandeltem Stahl bestehen kann. Der andere Arm des Lenkers 222 ist an dem anderen Ende der Achse 14 an dem entsprechenden Anpaßstück befestigt. Die Scheitelpunkte der Lenker 222 sind durch ein Gliedergelenk 225 miteinander verbunden. Dieses besitzt einen gegenüber den Scheitelpunktmitten der Lenker 222 versetzt angeordneten Vorsprung 266, einen Pluiddämpfer oder einen Reibungsdämpfer 228 und eine Schraubenfeder 230, die den Dämpfer 228 umgibt. Dies ist jedoch nicht die einzig mögliche Konstruktion, sondern es können auch andere Federelemente und andere Dämpfungselemente verwendet werden, wie Blattfedern, Gummikissen o.dgl. in geeigneter Konfiguration. Außerhalb der Radsätze sind U-förmige Bügel 224 zur Verstärkung der Lenker 222 vorgesehen, die an den Anpaßstücken 220 befestigt sind.

Wenn während des Betriebes einer der Radsätze 13 schwingt oder um eine durch das Achszentrum hindurchgehende vertikale Achse herum giert, bewegt sich der Scheitelpunkt des zugehörigen Lenkers zur Seite hin. Ein Teil dieser Bewegung wird über das Gliedergelenk .225 s-uf den anderen Lenker und auf den anderen Radsatz übertragen. Die Elastizität der Lenker und des Gliedergelenks dämpft jedoch die Gierbewegung durch Einführung einer Frequenz- und einer Phasenänderung zwischen die Radsätze. Einfach ausgedrückt: der reagierende (antwortende) Radsatz ist ebenfalls bestrebt, zu gieren, jedoch mit einer geringfügig veränderten Frequenz und Phasenlage zu der ursprünglichen Gierbewegung und, da zusätzliche Kriechkräfte ins Spiel kommen, besteht die schließlich erreichte -Wirkung darin, daß das Radsatzpendeln gedämpft wird.

Die Gliederverbindung 225 zwischen den Lenkern 222 ist so, daß sie nur sehr kleine Drehmomente zwischen den

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Lenkern übertragen kann. Dies bedeutet _s daß die Lagerung während einer Kurvenfahrt nur einen minimalen Zwang auf jeden Lenker ausübt, und daß jeder Radsatz der Gleiskrümmung frei folgen kann« .Daher kann bei jedem Radsatz ein optimales Kurvenverhalten erreicht werden und die Lagerung hat eine bessere Lenkbarkeit als diejenige konventioneller Lagerungen (es wird angenommen, daß das elastische Element zwischen den Radsätzen und dem Fahrgestell eine geringe Gierungsruckstellkraft k ausübt, z.B.

k < G -ii- )

^K v· ^Ur _b2 ^}'

In Fig.8 und 9 ist eine Lagerung dargestellt, bei der eine Querstange 232 zur Verstärkung des Lenkers 222 vorhanden ist. Das Gliedergelenk 235 zwischen den Lenkern ist ein herkömmliches Splintgelenk mit einem am Scheitelpunkt eines der Lenker 222 vorgesehenen Flansch 234, einem zweiten Flansch oder einem Doppelflansch 236 an dem anderen Lenker 222 sowie mit einem durch die übereinanderliegenden Löcher in beiden Flanschen 23²J- und 236 hindurchgesteckten Stift 237 und einer Gummihülse oder- einem Gummifutter 238, das um den Stift 237 herum angeordnet ist. Das Futter schafft zusätzliche Seitenelastizität für die Lenker.

Im Betrieb ist die Lagerung ähnlich derjenigen des ersten Ausführungsbeispieles mit der Ausnahme, daß das Gliedergelenk 235 einen definierten Drehpunkt hat, der von dem Stift 237 gebildet wird. Wenn daher das Fahrzeug eine Kurve durchfährt, bewegen sich die Scheitelpunkte der Lenker in der gleichen Richtung zur Seite hin, und da diese Bewegung eine reine Drehbewegung um den Stift 237 ist, ent-· stehen keine Momente, in dem Gliedergelenk 235. Durch Auswahl der Zusammensetzung und Gestaltung des Gummifutters 238 kann die Lagerung abgestimmt werden, so daß man eine optimale Pendelstabilität des Radsatzes erhält, d.h. die Lagerung muß u.a. den Gleichungen (4b) und (4b') genügen.

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Eine weitere Ausführungsform des Gliedergelenks, das zwischen den Lenkern 222 verwendet werden kann, 1st in den Fig. 10 und 10a dargestellt und generell mit 325 bezeichnet. Das Gliedergelenk 325 enthält einen kanalförraigen Abschnitt 320 mit kleinem Querschnitt und einen kanalförmigen Abschnitt 321 mit großem Querschnitt. Die Querschnitte der kanalförmigen Abschnitte sind jeweils U-förmig. Jeder der Abschnitte 320 und 321 ist an einem der Lenker 222 befestigt und die Befestigung ist so vorgenommen, daß Abstandhalter 322 zwischen die Abschnitte und die Lenker eingesetzt werden können. Die Abschnitte 320 und 321 überlappen sich in Längsrichtung und sind . durch Gummikissen 323 und 324, die an die Innenseite des Abschnittes 321 mit größerem Querschnitt und die Außenseite des Abschnittes 320 mit kleinerem Querschnitt in der in Fig. 10a dargestellten Weise anvulkanisiert sind, d.h. jeweils zwischen den einander gegenüberliegenden Flächen, verbunden.

Dieses Gliedergelenk ist einfach und billig in der Herstellung. Ss ist dauerhaft und hat die geforderten Eigenschaften an Elastizität und minimalem Moment-Übertragungsverhalten. Ein derartiges Gelenk kann ferner als Standardteil in Verbindung mit Lenkern standardisierter Größen verwendet werden, weil durch die Abstandhalter eine Anpassung an unterschiedliche Seitenlängen des Drehgestells für das zusammengesetzte System möglich ist. Selbstverständlich können auch bei den anderen Anordnungen Abstandhalter an geeigneten Stellen vorgesehen sein, z.B. an dem Gliedergelenk oder an den Anpaßstücken 220.

Die Fig. 11 und 12 zeigen eine Ausführungsform, bei "der die Radsätze 13 durch zwei diagonale elastische Glieder 244 miteinander verbunden sind. Jedes Glied 244 erstreckt

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sich von einem Achslager eines Radsatzes diagonal zu einem Achslager des anderen Radsatzes. Die Enden eines jeden Gliedes 244 sind unter Verwendung von Splintverbindungen 246 an den Achslagern befestigt. Die Splintverbindungen 246 sind so angeordnet, daß die Glieder in einer Im wesentlichen horizontalen Ebene geschwenkt werden können. Eines der Glieder 244 hat einen Schlitz 248, der sich über etwa die halbe Länge erstreckt und ausreichend breit ist, um das andere Glied hindurchlassen zu können. Eine Alternative zu dieser Anordnung besteht darin, eines oder beide Glieder in der Nähe des Kreuzungspunktes zu krümmen. Jedes der Glieder 244 hat elastische und/oder dämpfende Mittel 250 parallelliegend, die beispielsweise aus einer Schraubenfeder 250 und einem paralle'lliegenden Flüssigkeitsdämpfer 254 bestehen. Andere geeignete Feder- und Dämpfungsmittel, die benutzt werden können, sind beispielsweise Gummikissen, gebogene Blattfedern o;dgl.. Obwohl in der Zeichnung die Glieder symmetrisch dargestellt sind, ist dies in der Praxis nicht unbedingt erforderlich. -

Die Glieder 22 können, was in der Zeichnung nicht dargestellt ist, einstückig mit den Anpaßstücken 220 hergestellt werden, d.h. entweder während des Gießens bzw. der Formgebung oder nachfolgend durch Schweißen o.dgl,. In einem solchen Fall müssen die Glieder zur Seite hin flexibel sein, was durch Wahl eines geeigneten Materials (z.B. Bronze) erreicht werden kann und/oder durch Krümmung des Gliedes, so daß es in der Biegung federt.

Wenn während des Betriebes einer der Radsätze schwenkt oder schwingt, dann bewegt sich., was leicht ersichtlich ist, eines der Räder auf das Lagerzentrum zu, während das andere .Rad sich hiervon fortbewegt. Dasjenige Rad,_ das sieh auf das Zentrum "zubewegt, bewirkt, daß das Rad

des anderen Radsatzes, mit dem es diagonal verbunden ist, von dem Zentrum fortgestoßen wird, und zwar umgekehrt zu demjenigen Rad, das sich ursprünglich von dem Zentrum fortbewegte, infolge der Elastizität der diagonalen. Glieder 244 erfolgt eine ähnliche Dämpfung der Radsatzpendelungen oder -schwingungen, wie oben beschrieben. Während einer Kurvenfahrt folgen beide Radsätze der Gleiskrümmung, weil keine oder eine nur geringe Gierungsrücksteilung von den unabhängigen diagonalen Gliedern auf die Radsätze ausgeübt wird und eine .- etwa vorhandene Rückstellkraft von anderen Lagerelementen kommt.

Zum Schluß der Erläuterungen über diagonale Kupplungen sei folgendes bemerkt:

a) Für alle Ausführungsformen mit kreuzweise verbundenen Ankern ist es auch möglich, auf einen der Anker zu verzichten, z.B. wäre ein Glied 244 oder ein Arm eines Radquerlenkers, der an dem Anpaß*stück 220 so befestigt ist, daß er seitlich nicht verschränkt werden kann, ausreichend.

b) Die Arme der Radquerlenker 222 können einstückig mit den Anpaßstücken 220 hergestellt werden.

c) Auf die elastischen und/oder dämpfenden Einrichtungen 250, die parallel zu den Gliedern 244 liegen oder auf die anderen elastischen oder dämpfenden Einrichtungen 228, 238, 230 kann verzichtet werden, wenn genügend Elastizität in den für die Querlenker oder die elastischen Glieder verwendeten Materialien vorhanden ist. Die Materialien haben ferner jeweils eine bestimmte Dämpfungs-r hysterese. Durch Auswahl der Materialzusammensetzungen

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und der Abmessungen der Querlenker oder der Glieder kann man die erforderliehenKoeffizienten erhalten.

d) Die Diagonalkupplung wird als Pendelstabilisator verwendet und ist während der Kurvenfahrt unbelastet. Dies ist im Gegensatz zu bekannten Kupplungen, die tatsächlich "Steuerarme" sind und dazu verwendet werden, die Radsätze in die richtige Radialposition auf der Kurvenführung zu zwingen. Solche Steuerarme sind beispielsweise in der PR-PS 1,006,038 und in der DT-PS 876,249 beschrieben. Sie sind starr konstruiert, da sie grossen Kräften standhalten müssen und in keiner Weise als Pendelstabilisatoren dienen. Schließlich wurden sie, weil sie keine realen Vorteile bieten, niemals im Normalbetrieb verwendet.

Die Fig. 13 und 14 zeigen einen Zweiachser 260, der mit Glieder-Querlenkern ausgestattet ist. Der Wagen enthält einen durch Befestigungsmittel· 262 auf zwei Radsätzen 13 elastisch abgestützten Wagenkasten 261. Jedes Befestigungsmittel 262 weist eine Achsführung 264 auf, die mit Schwinge lementen 266. an einem Gehäuse 270 befestigt ist. Das Gehäuse 270 ist seinerseits an den Anpaßstücken 220 mit Schraubenfeder abgestützt. (Es kön-. nen auch Gummikissen oder Verbundelemente verwendet v/erden). Seitlich zwischen den Anpaßstücken 270 und der Achsenführung 264 ist Spiel vorhanden, so daß die Radsätze sich in den Achsführungen in Längsrichtung bewegen können. Das Spiel liegt in der Größenordnung von 3 bis 15 mm. -

Durch die Verwendung der Befestigung 262 erhält man eine Reihe von,Vorteilen im Betrieb. Zunächst stellt das Spiel sicher, daß die Lenkfähigkeit der Radsätze insbesondere

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in Kurven nicht von dem Radkasten beeinträchtigt wird. Das genaue Spiel wird entsprechend dem Achsabstand des Fahrzeuges und den schärfen zu durchlaufenden Kurven gewählt. Ferner stellt die Verwendung von Schwinggliedern 266 und Federn 268 sicher, daß eine geringe Rückstellung oder Steifigkeit der Radsätze in Längsrichtung vorhanden ist. Dies ist möglich, weil die Unterdrückung der Radsatzpendelungen nicht langer von der Steifigkeit der Lagerelemente abhängt. Die Federcharakteristiken der Lagerung können so ausgewählt werden, daß man optimale Fahrqualität und Lenkfähigkeit erhält.

Fig. 15 und 16 zeigen ein dreistückiges Drehgestell 10 mit zwei Seitenrahmen 16 und einer Wiege 18. Im Gegensatz zu einigen der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele, bei denen Querlenker 222 verwendet werden, werden hier W-förmige Teile 286 verwandt, deren freie Enden so gebogen sind, daß sie zur Raumersparnis um die Außenseite des Rades herumführen. Ferner sind die Arme der Teile 286 (wie in Fig. 16'dargestellt), vertikal geöffnet, so daß sie über die Achsen 14 passen und ferner so, daß das Zentrum der Stiftverbindung zwischen den Teilen 286 im wesentlichen in derselben horizontalen Ebene wie die Achsen 14 liegt. Ein aus Fig. 15 erkennbares Merkmal, das jedoch auch bei den anderen Ausführungsformen vervfendet werden kann, besteht darin, daß die Flansche der Stift- oder Splintverbindung einen Längsschlitz aufweisen, um eine größere Freiheit zwischen den Teilen 286 in Längsrichtung zu erzielen, während die gleichen Eigenschaften wie bei den zuvor beschriebenen Ausfüiirungsbeispielen erhalten bleiben.

Eine elastische Kupplung zwischen den Radsätzen und den Seitenrahmen des Drehgestells gemäß Fig. 16 weist ein

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Gummi-Verbundteil 290 mit geringer Schersteifigkeit auf, das zwischen den Seitenrahmen 16 und den Anpaßstüeken 220 angeordnet ist. Auch hier ist Spiel -zwischen Anpaßstücken -220 und den Achsführungen 283 und 283' an den Enden der Seitenrahmen 16 vorhanden* Diese Ausführungsform hat ebenfalls eine geringe Gierungsrückstellkraft (Kurszang), so daß die optimale Lenkbarkeiterhalten bleibt.

In Verbindung mit einer diagonalen elastischen Kupplung zur Begrenzung der Pendelbewegung der Radsätze ist ein Hebel und Federn enthaltendes System zwischen die Radsätze und den Wagenkasten des Fahrzeuges gekuppelt, um die Wa-. genkastenpendelungen zu begrenzen. Dies ist in Fig. 17 dargestellt. Ein Wagenkasten IQO ist mit einem System von Hebeln 302 und Schraubenfeder 3l6 mit den Seitenrahmen 16 und Radsätzen 13 verbunden. Das System aus Hebeln 302 enthält einen Drehhebel 306, der mit seinem Drehpunkt an einem an dem Radkasten befestigten Halter,310 gelagert ist'und einen geraden Hebel 308, der an einem Ende mit einem Stift mit einer an dem Seitenrahmen 16 befestigten Halterung verbunden ist. Das freie Ende des Drehhebels 306, d. h. derjenige Hebelarm, der dem geraden Hebel 308 abgewandt ist, ist an einem Ende einer Schraubenfeder 3l6 befestigt, deren anderes Ende an Flanschen 317 des Gelenkes zwichen den Radsätzen befestigt ist.

In der Praxis bewirkt ein Quermoment des Wagenkastens über das System aus Hebel 302 und Feder I36 eine Drehung der Radsätze. Die Laufflächen der Räder gleiten auf den Schienen, bis eine hinreichend große Reaktionskraft auf- · gebaut ist, um die unerwünschte Querbewegung des Wagenkastens geradezurichten. Durch geeignete Auswahl der Federsteifigkeiten und der Hebellängen 1st es demnach

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möglich, die Wagenkasten-Pendelbewegungen zu unterdrücken oder wenigstens zu minimisieren.

Der beschriebene Pendelstabilisator für den Wagenkasten kann auch als Pseudo-Gleit-Dämpfer bezeichnet werden. Dieser Ausdruck impliziert, daß es sich um eine Vorrichtung handelt, die die Pendelbewegungen durch Erzeugung von Kr.iechkräften in dem Berührungsbereich zwischen Schiene und Radlauffläche dämpft. Es sei vermerkt, daß das Konzept des Versuchs der Nutzbarmachung von KrieehkräTten an sich bekannt ist (s. z.B. unter anderem DT-PS 865,148) _} jedoch hat man hierbei keine brauchbaren Ergebnisse erzielt, weil die Richtung, in deipäiese Kräfte angewandt wurden, falsch war. Zur Erklärung dieses Punktes betrachte man eine Bewegung des Wagenkastens nach rechts (bei Blickrichtung in Fahrtrichtung), Diese. Bewegung verursacht eine Kraft, die bestrebt ist, die Gelenkstelle der Lenker nach links zu bewegen und daher versucht, den vorderen (hinteren) Radsatz eines Drehgestellpaares im Uhrzeigersinn (Gegenuhrzeigersinn) zu gieren. Dies steht im Gegensatz zu den vorbekannten Vorschlägen. Während die Kraft an der Gelenkstelle entgegen der Richtung der Wagenkastenbewegung wirkt, und daher der Bewegung des Wagenkastens der Erfindung widerstrebt, ist bei den bekannten Vorrichtungen der Effekt destabilisierend. Es können auch verschiebene andere Konfigur~ationen mit kraft" reversierenden Mitteln verwendet werden, z.B. eine ähnliche Kupplung (302,316) kann mit dem in Fig. 6 dargestellten Verstärkungsteil (224) verbunden werden.

Die Fig. l8 und I9 zeigen Draufsichten dreiachsiger . Fahrzeuge, die unter diesem Aspekt konstruiert sind. Beide Lagerungen sind: ähnlich den schon beschriebenen Lagerungen und können als eine Kombination zweier Sätze

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von Diagonalkupplungen betrachtet werden, von denen jede zwischen zwei Radsätzen angeordnet ist. Auf diese Weise existiert eine Kupplung zwischen dem vorderen Radsatz und dem mittleren Radsatz und auch zwischen dem mittleren Radsatz und dem hinteren Radsatz.

In der Praxis werden der vordere Radsatz und der hintere Radsatz in dem gleichen Sinne gedreht und der mittlere Radsatz wird im Gegensinne gedreht. Schwingungen oder Pendelungen irgendeines Radsatzes werden in der gleichen Weise wie zuvor schon anhand eines Drehgestells mit zwei Radsätzen beschrieben, gedämpft. Die Orientierungen der Radsätze des aus drei Radsätzen bestehenden Drehgestells während des Durchlaufens einer stetigen Kurve, ist in Fig. 18 in Umrißlinien skizziert. Bei dieser Orientierung folgt jeder der Radsätze der Gleiskrümmung und die Achsen liegen entlang radialer. Linien von dem jeweiligen Kurvenmittelpunkt.

Dreisätzige Drehgestelle werden normalerweise nicht verwendet, es sei denn auf Gleisstrecken mit wenigen oder schwachen Kurven, und zwar wegen der beim Kurvenfahren in der Lagerung erzeugten Kräfte. Mit der erflndungsgemäßen Lagerung können jedoch dreiachsige Drehgestelle wirksam eingesetzt werden, weil hierbei beim Kurvenfahren nur minimale Spannungen in der Lagerung auftreten. Zwei Verwendungsarten sind von besonderer Bedeutung. Die erste liegt bei schweren Fahrzeugen,- wie Erzwaggons, bei welchen die Last auf mehr Achsen verteilt werden kann als früher möglich war. Die zweite Anwendungsart besteht in dem Einsatz bei Passagierzügen, bei denen die Belastung nicht groß ist» Bei Passagierfahrzeugen werden die Enden zweier Wagenkästen auf dem gleichen Drehgestell montiert. Diese Anordnung be>-deutet eine

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Ersparnis am Gesamtgewicht des Fahrzeuges und die Verwendung eines geteilten Drehgestells ermöglicht es, daß jeder Wagenkasten sich während der Kurvenfahrt tangential zur Kurve einstellt.

Eine andere Alternative der Erfindung unter Verwendung von Diagonalankern besteht in der Entfernung aller federnden Elemente, die einen Gierungszwang ausüben, wie elastomerer Kissen oder Schraubenfedern, die zwischen den Radsätzen und den Seitenrahmen eines Drehgestells oder eines Wagenkastens vertikal angeordnet sind,und in der Ersetzung dieser Teile durch Gleitplatten o.dgl.. Man kann Gleitplatten verwenden, die ähnlich denjenigen sind, die normalerweise für die Drehzapfenverbindung zwischen dem Drehgestell und dem Oberbau, wie in Fig. 1 gezeigt, benutzt werden. In diesem Fall ist es notwendig, einen Längsanker nach einer der Fig. 3 bis 5 zu. verwenden, um Längskräfte von dem Wagenkasten oder von dem Oberbau auf die Räder zu übertragen.

Bei der ersten Ausführungsform variierten die Werte für die Gierungsrückstellung von 80 bis 2000 kNrn/Gierungswinkelgrad und bei diesen Beispielen wurden die unteren Grenzen durch den Gesichtspunkt der Pendelstabilität bestimmt, auf Kosten (allerdings nur geringfügig) der Kurvengängigkeit. Die zweite Ausführungsform sah einen Diagonalanker vor zur Kompensation der Gierungsrückstellkraft und erlaubte daher, Werte von weniger als 750 kNra/ Gierungswinkelgrad (bis herunter auf Null), wobei man ein beträchtliches Anwachsen der Kurvengängigkeit erhält. Die dritte Ausführungsformform der Erfindung sieht einen negativen Gierungszwang vor.

Für die liier in Rede stellenden Zwecke kann eine negative

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Feder definiert werden als .eine Feder, deren Destabilisierungseffekt mit der Auslenkung anwächst, d.h. die eine Kraft aufbringt, die bestrebt ist, den Gierungswinkel eines Radsatzes zu vergrößern, wenn sie ihre Null-Lage unter rechtem Winkel zu der Längsachse des Oberbaus oder Wagenkastens verlassen hat. Dies steht im Gegensatz zu . einer herkömmlichen Feder, die eine Rückstellkraft auf- . weist, die proportional zur Auslenkung ist, d>h. eine Kraft aufbringt, die bestrebt ist, den Gierungswinkel.zu verkleinern. , _. .

Zunächst sei auf die zuvor schon genannte Gleichung (13) Bezug genommen, von der normalerweise einige Ausdrücke . vernachlässigt werden können, da ihre Wichtigkeit nur von zweiter Größenordnung ist. Diese vernachlässigten Ausdrükke wachsen jedoch mit der Geschwindigkeit an, bis zu einem Zustand, bei dem die kritische Instabilität erreicht ist.

Die Erfindung setzt jedoch voraus, daß die Ausdrücke

./2f * γ ■ . 2kb². 2kj_

^{Ί\^} JFÖ und "-MÄ^T M

einander gleich oder wenigstens annähernd gleich gemacht werden und entgegengesetzte Vorzeichen haben, so daß der konstante Ausdruck ;Null oder vernachlässigbar ist, und daß die Ausdrücke " ..

2kb² und 2k_T

ebenfalls gleich oder wenigstens annähernd gleich sind und umgekehrte Vorzeichen haben, so daß Gleichung (3) reduziert wird zu

^χ2[^{χ2 + 2} * φ]⁼ ° (U)

im Ideälfall. -

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Gleichung (14) hat einen Wurzelpaar: ^_{1 f2} ~ O und ein zweites Wurzelpaar: *_3jlf = _ 2f _t

Das zweite Wurzelpaar repräsentiert eine exponentiell gedämpfte Bewegung oder eine stark übergedämpfte .Bewegung, d.h. y = θ = - 'ψ? für den Radsatz. Der Därapfungsgräd hängt davon ab, ob der Idealfall erreicht wird oder nicht. Im Falle exponentieller Dämpfung kehrt der Radsatz nach einer Störung (Schrägstellung) in seine Mittelposition auf den Schienen nach einer Exponentialfunktion zurück und bei überkritischer Dämpfung erfolgt die Rückkehr ohne Überschwingen. In Jedem Fall bewirkt die Erfindung eine beträchtliche Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik, wo erfahrungsgemäß nach einer Störung ein Uberschwingen des Radsatzes stattfindet und dieser nicht nur in seine Mittelposition zurückkehrt, sondern über diese hinausschwingt und eine sinusförmige Gierungsbewegung ausführt.

Um Gleichung (14) zu erhalten, kann entweder k oder k^ negativ gewählt werden. Vorzugsweise wird k negativ gewählt, und zwar aus den folgenden Gründen:

a) Ein negativer Wert k erlaubt eine freie Gierung der Radsätze und somit die Einnahme einer korrekten Radialposition auf einem gekrümmten Gleis;

b) ein negativer Wert k, unterstützt von einem das Gierungszentrum des Radsatzes mit dem Fahrgestellrahmen odei¹ dem Oberbau indirekt über das Fahrgestell verbindenden Anker, stellt sicher, daß der Radsatz im wesentlichen seine Mittelposition beibehält, wenn das Fahrzeug oder das Fahrgestell stationär ist, d.h. nicht auf eine Seite des

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Fahrzeuges überschlägt. Bei einer derartigen Konstruktion kann der Radsatz lediglich gieren, jedoch findet dies in der Praxis nicht statt, weil der Widerstand gegenüber dem Laufflächengleiten auf dem Gleis größer ist als das maximale Giermoment, das aus einem negativen k resultieren kann; . '

c) ein negatives k_T führt dazu, daß das Laufwerk, wenn es : Ruhe ist, nach der einen Seite oder nach der anderen umschlägt;

d) profilierte Räder haben eine natürliche begrenzte Rückstellkraft, die auch als Schwer.kraft-Federsteifi.gkeit bezeichnet wird. Diese ergänzt den positiven Wert von km, der für den Fall eines negativen Wertes von k erforderlich ist, jedoch zunächst überwunden werden muß, wenn ein negatives k~ gewählt wird.

2k Der Negativwert k kann errechnet werden, indem man —^A-gleichsetzt j-j^x und dann diesen Wert in den konstanten

Faktor von Gleichung (.13) einsetzt (d.h. die beiden letz ten Ausdrücke).

Dies ergibt: k =. f ^/τίτ. " ί^1δ)

Gleichung (15) zeigt, daß k eine Funktion von f (Kriechkoeffizient) ist, das wiederum eine Funktion, des Gesamtgewichts des Fahrzeuges ist. Dies zeigt einen weiteren wichtigen Vorteil der Erfindung, der darin besteht, daß ein Wert für die Länge von k errechnet werden kann, eier unabhängig,von der Fahrzeugbelastung eine pendelstabilisierte Lagerung ergibt. Für die südafrikanischen Eisenbahnen,, die ein 3' 6''-GIeIs verwenden, hat sich experimentell eine Länge von etwa V¹ kis 8^ff als zweckmäßig erwiesen, jedoch können in Abhängigkeit von den Gleis-

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und Fahrzeugverhältnissen auch größere oder kleinere Werte erforderlich werden.

Die obige Analyse ist von sehr einfacher Natur, weil sie lediglich auf einen auf dem Boden gelagerten Radsatz ausgerichtet ist und nicht den Bewegungen des Radkastens und/oder den Drehgestellbewegungen Rechnung trägt. Nichtsdestoweniger kann das Konzept auf ein gesamtes Fahrzeugsystem ausgedehnt werden. Obwohl man im gegenwärtigen Zustand davon ausgehen muß, daß es nicht möglich ist, den Idealfall exponentieller Dämpfung zu erreichen, ist ein überkritisch gedämpftes System tatsächlich möglich. Die Tatsache, daß ideale Ergebnisse nicht erzielbar sind, ist auf den Umstand zurückzuführen, daß die Bewegungsgleichungen sehr komplex sind,und daß man bestimmte Annäherungen vornehmen muß. Die Gleichungen können jedoch empirisch gelöst werden, indem man einen Computer benutzt, in dem der Idealfall sehr wohl realisiert werden kann.

Die bisherige Analyse hat gezeigt, daß es notwendig sein wird, eine seitliche Dämpfung zwischen den Radsätzen und dem Oberbau und/oder Fahrgestell vorzusehen. Weiterhin ist es in einem auf einem Drehgestell montierten Fahrzeug zweckmäßig, eine Dämpfung zwischen dem Drehgestell und dem Wagenkasten vorzusehen. Wenn das Drehgestell mit einer. Wiege versehen ist, dann können herkömmliche Systeme, wie Keile oder Reibplatten vorteilhaft verwendet werden, jedoch wird man für Passagierfahrzeuge Viskositätsdämpfer einsetzen.

Weitere Dämpfung ist in Längsrichtung zwischen dem Wagenkasten und den Radsätzen erforderlich. Viskose Dämpfer oder Reibungsdämpfer können hier verwendet werden.

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Obwohl die Erfindung sich in erster Linie mit der Stabilisierung der Radsatzpehdelung befaßt und dies der Faktor ist, der u.a. die Laufflächenabnutzung verursacht und schließlich die maximale Betriebsgeschwindigkeit des Fahrzeuges begrenzt, kann auch der zuvor beschriebene Pendelstabilisator für den Radkasten eingebaut werden, indem man zusätzliche gelenkige Lenker hinzufügt.

In Fig. 20 ist sehematisch ein Drehgestellseitenrahmen 16, ein invertiertes Pendel oder eine gelenkige Verbindung 422 und ein Radsatz 13 dargestellt* der durch das invertierte Pendel an den Seitenrahmen Io gekuppelt ist. Der Radsatz 13 enthält zwei Räder 12 mit konischen Laufflächen mit einem "Standardabnutzungs"-Profil oder mit einem Heumann-Profil, die fest an einer starren gemein- · samen Achse 14 angebracht sind. An oder nahe den Enden der Achse 14 sind Achslager-Anpaßstücke 26 vorgesehen, die horizontale Flansche, einer auf jeder Seite der Achse, aufweisen. Die Achslager-Anpaßstücke können in beliebiger geeigneter Weise konstruiert sein. An der Oberen Fläche eines jeden Flansches 28 sind vertikale Flansche 420 befestigt. Diese vertikalen Flansche sind mit Stiften 426 versehen, so daß ein Ende eines länglichen, im wesentlichen-' starren Teiles 428 mit ihnen verbunden werden kann. Die Teile 428 sind an ihren anderen Enden mit Stiften 424 an dem Seitenrahmen des Drehgestells gelenkig angebracht. Zwi-schen den Anpaßstücken 26 und der Achse 14 sind Lagereinrichtungen 15 vorgesehen*

In Fig. 21, wo gleiche Teile jeweils mit gleichen Bezugs-) zeichen versehen sind, ist eine weitere Ausführungsform einer festen Gelenkverbindung zwischen dem Seitenrahmen

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des Drehgestells und dem Radsatz dargestellt. Bei dieser Ausführungsform enthält die Verbindung ein exzentrisches Teil 430, das um die Achse 14 drehbar ist und mit einem Stift oder Zapfenlager 432 an dem Seitenrahmen 16 angelenkt ist.

Ein Merkmal, das aus Fig. 21 ersichtlich ist, das aber auch bei der ersten Ausführungsform verwendet werden kann, besteht darin,, daß Anschläge 434 und 435 an dem Seitenrahmen 16 befestigt sind. Diese dienen zur Begrenzung der Radsätze in Gierrichtung, Natürlich können auch andere Arten geeigneter Anschläge verwendet werden.

Fig. 22 zeigbnoch eine andere Ausführungsform einer Gelenkverbindung, die zwischen, den Radsätzen und den Seitenrahmen 16 des Fahrgestells verwendet werden kann. Die Verbindung enthält ein im wesentliches starres Element 43β, das die Form einer dicken rechteckigen Platte hat, deren gegenüberliegende Seiten, die mit 437 bezeichnet sind, abgerundet sind. Die Seiten 437 sind komplementär zu Flachnuten 439, die in zwei Gummikissen 438 vorgesehen sind, geformt. Die Gummikissen 4j58 sind an dem Seitenrahmen 16 des Drehgest,ells und an Flanschen 28, die an den Achslager-Anpaßstücken 2β befestigt sind, vorgesehen.

Im Betrieb arbeitet diese Gelenkverbindung im.wesentlichen in der gleichen Weise wie die zuvor beschriebene, mit dem Unterschied, daß infolge der Tiefe des Elementes 436,die etwa 10 cm betragen kann, eine größere Lagersteifigkeit der Verbindung erzielt wird. Ferner kann das Gummi- oder Elastomer-Kissen so gewählt werden, daß sowohl die seitliche Lagersteifigkeit geändert werden kann als auch für eine Dämpfung in Längsrichtung und in Seiteni'ientung g3~ sorgt ist.

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Die oben beschriebene Verbindung kann auf jede der zuvor beschriebenen Ausführungsformen abgestimmt werden, beispielsweise" kann sie anstelle des Zapfenlagers 432 in Fig. 21 oder anstelle eines oder beider Zapfenlager 424 und 426 in Fig. 20 verwendet werden.

Bei allen Ausführungsformen, die mit negativen Federn arbeiten* werden Längsanker der oben beschriebenen Art. verwendet, die den Radsatz lediglich in Längsrichtung relativ zu dem.Fahrzeug festhalten und in keiner Weise die Querbewegungen oder Gierbewegungen des Radsatzes beeinträchtigen. Derartige Einrichtungen sind sogar notwendig»

Für angetriebene Räder, beispielsweise an einer elektrischen oder dieselelektrischen Lokomotive kann der Anker an den Motor selbst angekuppelt sein,, wobei der Motor drehfest auf der Achse montiert ist. Dies ist selbstverständlich bei allen zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen möglich» '

In der Praxis, wenn ein Schienenfahrzeug unter Verwe> · dung der negativen Lagerung nach der Erfindung im Ruhezustand ist, gibt die Konstruktion der Gelenkelemente ihnen eine Seitensteifigkeit, die eine seitliche Relativbewegung zwischen den Drehgestellrahmen und den Radsätzen unterbindet. Ferner halten die Längsanker das Gierungszentrum des Radsatzes fest- Der Radsatz kann daher lediglich frei gieren, jedoch tritt eine solche Gierung tatsächlich nicht auf, weil die Reibungskräfte in dem Berührungsbereich zwischen der Radlauffläche und der Schiene oder dem Gleis größer sind als jegliches Kupplungsmomentj, das aus der negativen Steifigkeit der Gelenke resultiert, und die Radsätze bleiben in ihrer

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Mittelposition, wenn das Fahrzeug im_Ruhezustand ist.

Wenn das Fahrzeug sich bewegt, werden in dem Berührungsbereich zwischen den Radlaufflächen und dem Gleis Kriechkräfte erzeugt und diese wirken so, daß sie bestrebt sind, das Rad in seine Mittelposition zu bringen. Bei normalem Betrieb, d.h. bei Betriebsgeschwindigkeit, wirken die Radsätze entsprechend der oben dargelegten Analyse. Wenn das Rad in Querrichtung oder auf Gierung gestört wird, kehrt es entweder nach einer Exponentialfunktion oder überkritisch gedämpft., in seine Mittelposition zurück.

Die Theorie zeigt, daß der Radsatz, wenn er in dieser V/eise abgefedert ist, stabil ist, doch betrachtet der Praktiker dies mit Mißtrauen. Dementsprechend hat man ein Experimentalfahrzeug gebaut und zu bestätigen versucht, daß Theorie und Praxis sich in Übereinstimmung befinden. Während ideale Exponentialdämpfung bis jetzt .noch nicht realisiert werden konnte, wurde eine ausgezeichnete Kurvengängigkeit und Pendelstabilität registriert.

Ein Vorteil dieser Lagerung besteht darin, daß während der Kurvenfahrt nur ganz geringe Kräfte auf die Radsätze einwirken, was hauptsächlich auf die Reibung in den Zapfenlagern zurückzuführen ist. Mit herkömmlichen Lagerungen besteht für die Radsätze eine Tendenz zu untersteuern, mit der negativen Federsteifigkeit nach der.Erfindung übersteuern die Radsätze Jedoch. Da weiterhin Radsatzpendelungen unterdrückt und ein spurkranzfreies Kurvenfahren erreicht werden kann, haben die Radlaufflächen nur ganz geringe oder überhaupt keine Abnutzung« Dies führt zu einer beträchtlichen Betriebskostenersparnis. Natürlich ist auch die Gleisabnutzung geringer,.

s ^ ι / η ^ a *i

Ein Vorteil sämtlicher Ausführungsformen der Erfindung besteht darin, daß "Standard-Abnutzungs-" oder Heumannprofilierte Laufflächen verwendet werden können. Solche Lauffläehenprofile verändern sich bei Laufflächenabnutzung nicht sehr stark. Dementsprechend variiert die Betriebscharakteristik der Lagerungen nicht in Abhängigkeit von der Laufflächenabnutzung.

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Claims (1)

1. Ansprüche

   1. Verfahren zur Minlmisierung der Pendelung und zur Verbesserung der Kurvengängigkeit bei einem mit mindestens zwei Radsätzen versehenen Schienenfahrzeug, dessen Radsätze jeweils zwei fest an einer gemeinsamen Achse montierte Räder aufweisen, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:

   a) die Radsätze werden so montiert, daß sie Gierbewegungen ausführen'können;

   b) der Kurszwang in bezug auf das Fahrgestell wird auf Werte reduziert, die kleiner sind als 2000 kNm/Gierungswinkelgrad,·

   c) die Radlaufflächen werden so profiliert, daß ihre wirksame Konizität größer ist als 1:20; und

   d) die Gierbewegung und die Seitenbwegung der Radsätze relativ zum Fahrgestell werden gedämpft.

   2. Verfahren nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet,

   daß der Kurszwang auf Vierte unterhalb von I5OO kNm/Gierungswinkelgrad begrenzt wird.

   3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kurszwang in bezug auf das Fahrgestell auf Werte von unterhalb 750 kNm/Gierungswinkelgrad begrenzt wird, daß die Radlaufflächen so profiliert werden, daß ihre wirksame Konizität unterhalb 1:10 liegt, und daß in einem weiteren Verfahrensschritt eine elastische Kupplung diagonal zwischen benachbarten Radsätzen vorgesehen wird, um die Drehmomente dieser Radsätze zu kuppeln, wobei die Kupplung während der Kurvenfahrt im wesentlichen keinen Zwang ausübt.

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   " - 45 -

   4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Diagonalkupplung dadurch bei der Kurvenfahrt unbelastet gemacht wird, daß der Kurszwang kider Beziehung k < R JL genügt_a wobei G « Wv ,

   rt^{2 r} ik

   worin G die Schwerkraft-Lagersteifigkeit, 21 die Entfernung zwischen den Rad/Schienefiaührungs-

   stellen eines Radsatzes,
   ■ b die Entfernung zwischen den federnden Elementen

   am gleichen Radsatz,
   W die Achslast,

   y die wirksame Konizität der Radlauffläche R der Krümmungsradius der Radlauffläche, und ö der Winkel zwischen der Rad/Schieneberührungsebene und der Horizontalen bei Einnahme der Mittelposition des Radsatzes
   ist. .

   5« Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet j daß der Kurszwang in bezug auf das Fahrgestell gleich Null ist.

   6» Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5* gekennzeichnet durch den weiteren Verfahrensschritt des Dämpfens der elastischen Kupplung zwischen benachbarten Radsät2sn«

   7« Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6_a gekennzeichnet durch den weiteren Verfahrensschritt der gelenkigen Montage eines Oberbaus auf mindestens zwei Schienenlaufwerken. .

   80 Verfahren nach Anspruch 1 oder 2_S dadurch gekennzeichnet ■> daß ein Oberbau auf mindestens zwei Laufwerken schwenkbar montiert wird, und daß man den auf die Radsätze einwirkende Kurszwang k, den auf die

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   Radsätze einwirkende Seitenzwanp; k^, die wirksame Konizität γ und die Dämpfungsfaktoren ρ }f>_r zwischen den Radsätzen und den Fahrgestellen so auswählt» daß sie den folgenden Gleichungen genügen:

   4(k_T

   kb² )

   2v(p_T+ p|i

   k²b'^t

   f +

   and

   2k_Tkb² [l+£²

   4f "'"

   9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kurszwang größer als 1000 kNtn/ Gierungswinkelgrad ist,, und daß die wirksame Konizität im Bereich zwischen 1:20 bis 1:7 gewählt wird.

   10. Verfahren nach einen der Ansprüche 1 oder- 2_$ dadurch gekennzeichnet, daß man einen Oberbau auf mindestens zwei Laufwerken montiert und den Kurszwang so wählt _s daß er im Bereich zwischen 80 bis 750 kNra/Gierungswinke Igrad liegt, und die wirksame Konizität im Bereich zwischen 1;5 bis 1;2 wählt.

   11. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2₃ dadurch gekennzeichnet, daß man den Kurszwang negativ wählt.

   12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man zur Positionierung des Gierungszentrums eines Radsatzes relativ zu dem Fahrgestell in Längsrichtung einen Anker vorsieht.

   13. Laufwerk für Schienenfahrzeuge, mit mindestens zwei Radsätzen, von denen jeder zwei Räder aufweist, die fest an einer gemeinsamen Achse angebracht und so montiert sind, daß sie Gierbewegungen und Seitenbewegungen durchführen können, dadurch gekennzeichnet, dai3

   a) der Kurszwang in bezug auf das Laufwerk

   kleiner ist als 2000 kNm/Gierungswinkelgrad, _ ΐ

   b) die Radlaufflächen profiliert sind und eine wirk-' same Konizität haben, die größer ist als 1:20, und

   c) Dämpfungsmittel zur Unterdrückung von Seitenschwingungen und Gierschwingungen vorgesehen sind.

   14. Laufwerk nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Kurszwang in bezug auf das Fahrgestell kleiner ist als 75OO kNm/Gierungswirikelgrad, und daß eine elastische Diagonalkupplung zwischen benachbarten Radsätzen vorgesehen ist, die die Drehmomente der benachbarten Radsätze miteinander verkuppelt.

   15· Laufwerk nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß ein System aus Tragplatten, mit einer an dem Wagenkasten (.10) oder Rahmen (16) des Fahrgestells vorgesehenen ersten Tragplatte und einer an dem Radsatz, befestigten zweiten Tragplatte -«rgesehen ist, und daß das Laufwerk an den Radsätzen (13) mit Hilfe der Tragplatten derart befestigt 1st, daß der relativ zu dem Laufwerk auf die Radsätze (13) ausgeübte Kurszwang Null ist.

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   16. Laufwerk nach Anspruch 14 oder 15* dadurch gekennzeichnet, daß die elastische Diagonalkupplung Dämpfungsmittel (250) aufweist.

   17. Laufwerk nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die elastische Diagonalkupplung ein elastisches Glied (244) enthält, dessen Enden mit Achslager-Anpaßstücken (220) an gegenüberliegenden Enden benachbarter Radsätze (I3) verbunden sind.

   18. Laufwerk nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die elastischen Diagonalkupplungen ein erstes und ein zweites Glied (244) enthalten, und daß das zweite Glied (244) mit solchen Achslager-Anpaßstücken (220) verbunden ist, die von den Verbindungungen des ersten Ankers abgewandt sind.

   19· Laufwerk nach einem der Ansprüche 14 ibis l6, dadurch gekennzeichnet, daß die Diagonalkupplung zwei langgestreckte Teile (222) aufweist, deren eines Ende jeweils an einem Radsatz (13) gegen seitliche Rotation gesichert ist und deren andere Enden gelenkig miteinander verbunden' sind.

   20. Laufwerk nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das diagonale Kupplungselement zwei gabelförmige Teile (222) aufweist, die an ihren Scheitelpunkten aneinander angelenkt sind, und deren freie Enden jeweils mit einem gemeinsamen Radsatz (13) verbunden sind.

   21. Laufwerk nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden der elastischen Diagonalkupplung einstückig mit den Achslageranpaßstücken

   (220) sind.

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   22. Laufwerk nach einem der Ansprüche 14 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die elastische Diagonalkupplung ein federndes Element (230) enthält.

   23. Laufwerk nach Anspruch 22 in Verbindung mit einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß das federnde Element an der Gelenkstelle (225) vorgesehen ist.

   ²^* Laufwerk nach einem der Ansprüche 14 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß der auf die Radsätze (13) einwirkende Kurszwang (k), die Seitenrückstellkraft (k_T), die Rückstellkraft (k^) in Längsrichtung zwischen benachbarten Radsätzen (13)* ^{die mi}t der elastischen Diagonalkupplung versehen sind, die wirksame Konizität der Radlaufflächen Y und die Dämpfungsfaktoren P undß- parallel zu den Kräften (k) bzw. (k_T) so gewählt sind, daß sie die folgenden Gleichungen erfüllen:

   f + 2v(p_r!pK)

   4(k_Ta² + kb²)

   und

   ₂
   (1 + fa

   4kr 4kb²

   V²Y- 8(p_Ta² + pb² + P

   IU²

   _rot/2

   4k_Ta² + 4kb²

   CM

   )(PT +Pj

   k²- a²Z²+ k²b^u) rU².C

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   worin gilt: V
   f
   M
   C

   =

   2b =

   2a =

   r =
   ο

   Vorwärtsgeschwindigkeit des Fahrgestells, Kriechkoeffizient,
   Masse eines Radsatzes,

   Trägheitsmoment des Drehgestellrahmen um seinen Lagerzapfen auf dem Oberbau, Entfernung zwischen den Berührungsstellen Lauffläche/Schiene an dem gleichen Radsatz,

   Entfernung zwischen elastischem Element oder Montagestellen an demselben Radsatz, Radbasis auf dem Drehgestell, Rollradius des Rades bei Normalposition au; gerader Schiene.

   25. Schienenfahrzeug, ausgerüstet mit mindestens einem Laufwerk nach einem der Ansprüche 14 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Gierungsrückstellkraft (k) auf die Radsätze, die Seitenkraftkonstante (k_T), die wirksame Konizität γ , der Radlaufflächen und die Dämpfungsfaktoren ρ und p_r zwischen den¹ Radsätzen und dem Fahrgestell parallel zu den Kräften (k), (k_T) ,Jeweils so gewählt sind, daß sie die folgenden Gleichungen erfüllen:

   4(k_Ta² + kb²)

   £r

   2ν(ρ_Γ+ρ£₂)

   und

   2V(P_T+

   L²a²+ k_Tkb² Ua² ν kV

   ; b^:

   •4f '

   f + 2v(p_r+ f₂

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   worin gilt: V = VorwärtsgesclTwindigkeit des Fahrgestells,. f = Kriechkoeffizient,
   M = Masse eines Radsatzes, C = Trägheitsmoment des Drehgestellrahmens urn

   seinen Lagerzapfen auf dem Oberbau, 21 = Entfernung zwischen den Berührungsstellen Lauffläche/Sehiene an dem gleichen Radsatz,
   2b = Entfernung zwischen elastischem Element

   oder Montagestellen an demselben Radsatz, 2a = Radbasis auf dem Drehgestell, r = Rollradius des Rades bei Normalposition auf gerader Schiene. '

   26. Schienenfahrzeug nach Anspruch 25* dadurch gekennzeichnet, .daß die Radsätze (13) an den Drehgestellrahmen (16) mit Mitteln (2²J-) befestigt sind, die eine geringe Schersteifigkeit in Längsrichtung und in Seitenrichtung aufweisen. ■

   27· Schienenfahrzeug nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (24) mit geringer Schersteifigkeit in Längsrichtung und in Seitenriehtung aus zwei elastomeren Elementen bestehen, die im wesentlichen vertikal zwischen den Drehgestellseitenrahmen (l6) und den Radsätzen

   (13) angeordnet und an horizontalen Flanschen der Achslager-Anpaßstücke (28) befestigt sind, in denen die Achsen

   (14) der Radsätze (I3) an beiden Enden drehbar gehalten sind.

   28. Schienenfahrzeug nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß die elastomeren Elemente (24) Verbündelemente sind, die abwechselnd Schichten aus starren Platten und elastorneren Kissen enthalten.

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   29. Laufwerk nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel mit negativer Gierungsrückstellkraft zur Befestigung der Radsätze (13) vorgesehen sind.

   30. Laufwerk nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Erzielung einer negativen Gierungsrückstellkraft aus mindestens einem starren Teil (428, 430, 436) besteht;¹ das in vertikaler Richtung zwischen den Radsätzen (13) und dem Fahrgestell angeordnet ist und diese gelenkig miteinander verbindet.

   31. Laufwerk nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß das im wesentlichen starre-Teil (430) gelenkig mit dem Laufwerk verbunden und um die Achse (14) des Radsatzes (13) drehbar ist.

   32. Laufwerk nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß zwei im wesentlichen starre Teile (428) über Gelenke, die Enden eines Radsatzes (13) mit dem Lauf v/er k verbindet und daß die an dem Laufwerk angelenkten Teile gelenkig an horizontalen Flanschen befestigt sind, die sich zu beiden Seiten eines Achslageranpaßstückes, das um die Achse eines Radsatzes drehbar ist, erstrecken.

   33· Laufwerk nach Anspruch 31 oder 32, dadurch gekennzeichnet, daß die Gelenkverbindungen als Zapfenverbindungen ausgebildet sind.

   34. Laufwerk nach Anspruch 31 oder 32, dadurch gekennzeichnet, daß die Gelenkverbindung aus einer Nut (439) besteht, in die ein Ende eines starren Teiles (436) einsetzbar ist.

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   35· Laufwerk nach einemcfer Ansprüche 29 bis 3^, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel mit negativer Gierungsrückstellkraft in seitlicher Richtung federnd ausgebildet sind.

   36. Laufwerk nach Anspruch 35* dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein elastomeres Element (4-38) zur Stützung der Gelenkverbindung (437, ^39) vorgesehen 1st.

   37. Laufwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Anker (38, 50) zur Positionierung des Gier-ungszentrums der Radsätze in Längsrichtung relativ zu dem Laufwerk vorgesehen sind.·

   38. Laufwerk nach Anspruch 37» dadurch gekennzeichnet, daß der Anker (38* 50) gelenkig mit dem Laufwerk und mit dem GierungsZentrum des Radsatzes (13) verbunden ist,, und daß im GierungsZentrum des Radsatzes ein Lager (40) zur Befestigung des Ankers (38, 50) an dem Radsatz (13) vorgesehen ist.

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