DE2512008C2 - Laufradrahmen mit Pendellagerung für mehrgliedrige Eisenbahnfahrzeuge - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Laufradrahmen mit Pendellagerung für mehrgliedrige Eisenbahnfahrzeuge mit symmetrisch beiderseits der Mitttilängsebene der Fahrzeuge angeordneten Federn, die sich einerseits am Laufradrahmen und andererseits an einem Gegenlager im Aufbau eines Fahrzeuges oberhalb von dessen Schwerpunkt abstützen. Die Erfindung ist besonders geeignet zur Verwendung in Gliederzügen, bei denen die Kupplung zwischen den Gliedern relative Querbewegungen verhindert und die Laufräder nebst Aufhängung in dem freien Raum zwischen den Gliedern angeordnet sind.

Bekanntlich wird die Fahrgeschwindigkeit von Zügen in Kurven durch die Höhe der Querbeschleunigung begrenzt, denen die Fahrgäste ohne Komforteinbuße ausgesetzt werden können. Ein Teil der bei Kurvenfahrt entstehenden Zentrifugalbeschleunigung wird üblicherweise durch eine Überhöhung der Gleise kompensiert.

Das Ausmaß der Überhöhung ist jedoch begrenzt, weil die Gleise nicht nur von schnellen sondern auch von langsamen Zügen benutzt werden und auch ein Anhalten des Zuges in der überhöhten Kurve möglich sein muß.

Zusätzlich zu einer ungenügenden Schräglage tritt häufig noch der Fall auf, daß sich die Fahrzeuge in der Kurve nach außen neigen, wenn die üblicherweise unterhalb des Schwerpunktes angreifende Federung nachgibt. Diese Neigung ist verhältnismäßig groß. Sie wird definiert als ein Koeffizient in Form des Verhältnisses zwischen dem Winkel, der sich zwischen einem stationären Fahrzeug und dem Gleis einstellt und dem optimalen Überhöhungswinkel. Bei konventionellen Zügen liegt der normale Wert dieses Koeffizienten bei 0.4. Das

bedeutet, daß 40% des günstigen Überhöhungseffektes verlorengehen.

Ein Weg zur vollständigen Kompensation der auf die Fahrgäste wirkenden Querbeschleunigung besteht darin, die Wagen oberhalb ihrer Schwerachse pendelnd aufzuhängen. Eine solche Aufhängung, die über das Versuchsstadium bislang nicht hinausgekommen ist, besitzt mehrere Nachteile. Deren größter ist das Fehlen von ausreichender Stabilität gegenüber Schlingerbewegungen. Würde man diesen Fehler durch Stoßdämpfer aufzufangen versuchen, so würde die in der Kurve erwünschte Pendelbewegung verzögert ansprechen.

Es sind automatische Steuereinrichtungen bekannt, die unter dem Einfluß von Zentrifugalkräften das Durchfahren einer Kurve feststellen und ein Signal auf eine Servosteuerung geben, die eine entsprechende Neigung der Wagen bewirkt. Trotz vorhandener Vorteile ist jedoch eine beträchtliche Verzögerung des Neigungsbeginns beim Einfahren in Kurven festzustellen. Als Ursache wird angenommen, daß eine gewisse Zeitspanne bis zum Feststellen der Kurve erforderlich ist, weil geringe Zentrifugalbeschleunigungen aufgrund von auch bei Geradeausfahrt auftretenden Schlingcrbewegungen nicht zum Ansprechen der Servosteuerung führen sollen.

Als Lösung für dieses Problem bietet sich der Einbau eines programmierten Rechners in das Fahrzeug an. Dieser erhöht jedoch die Kosten ganz beträchtlich und führt auch zu einer recht aufwendigen und technisch

komplizierten Anlage.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Laufradrahmen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zu schaffen, der sich mit einfachen Mitteln verwirklichen läßt und mit geringem Aufwand eine Neigungseinslellung des Aufbaus bei schneller Kurvenfahrt ermöglicht

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht darin,

a) daß die Federn als Luftfedern mit Membranen ausgebildet sind und Be- und Entlüftungsmittel zur Niveausteuerung aufweisen,

b) daß die Federn unabhängig voneinander und frei von Kopplungselementen für ein zwangsweises Neigen des Aufbaus arbeiten und

c) daß Mittel zum Reduzieren der Druclduftströmung durch die Be- und Entlüftungsmittel bei sich aufgrund von Zentrifugalkräften neigendem Aufbau sowie mindestens ein Detektor zum Feststellen des Krümungsradius einer durchfahrenden Kurve vorgesehen sind.

Vorteilhafte Ausgestaltungen dieses erfindungsgemäß ausgebildeten Laufradrahmens sind in den Unteransprüchen angegeben.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen beschrieben. Im einzelnen zeigt

F i g. 1 einen schematischen Querschnitt durch ein Eisenbahntahrzeug mit Luftkissenfedern, das auf gerader Strecke fährt;

Fi g. 2 einen der Fi g. 1 entsprechenden Querschnitt durch ein Eisenbahnfahrzeug, welches eine Kurve durchfährt;

F i g. 3 ein Schaltbild der elektrischen Steuerung;

F i g. 4a die Schaltung gemäß F i g. 3, wie sie in einem Gelenkgliederzug eingesetzt sein kann und

F i g. 4b einen der F i g. 1 entsprechenden Querschnitt durch ein Ei' enbahnfahrzeug mit Darstellung der Schaltung gemäß den F i g. 3 und 4a.

Ein Drehgestell-Rahmen 1 in Form eines umgedrehten Portals beherbergt Räder 2 und dient als Abstützung für eine Lagerfeder 3 sowie zur Erleichterung des Durchgangs von einem Wagen in den anderen.

Um die Herstellung des Joches zu erleichtern, dienen vertikale Arme 4 als Lagerpunkte für die Aufhängung und können unabhängig hergestellt werden. Diese Arme sind rohrförmig und bestehen aus einer leichten Legierung und können als Hilfsbehälter für pneumatische Lagerfedern 3' dienen.

Ein Fahraeugkasten 5 tiägt in im einzelnen nicht dargestellter Weise die Lagerfedern 3'. Auf gerader Strekke bleibt der Fahrzeugkasten 5 auf konstanter Höhe innerhalb enger Grenzen über der Schienenebene, und zwar aufgrund von Höheneinstellventilen für das Federniveau. Beim Einfahren in eine Kurve findet dies ebenfalls statt, vorausgesetzt, die Geschwindigkeit ist nicht so groß, daß sich eine minimale vorbestimmte seitliche Beschleunigung ergibt Dies gilt für den Fall normaler Kurven von minimalem Radius wie auch für den.Fall einer Kurve, deren Radju's hinreichend groß ist-so daß sich Unbequemlichkeiten beim Durchfahren mit der auf gerader Strecke erlaubten Maximalgeschwindigkeit nicht einstellen.

Es ist folglich notwendig, die Fahrgeschwindigkeit und den Kurvenradius festzustellen und dann elektromagnetische Ventile 9 zum Ausschalten von Höheneinstellventilen 11 zu triggern, wenn spezielle Werte erreicht worden sind.

Die Fahrgeschwindigkeit kann auf an sich bekannte Weise festgestellt werden, beispielsweise durch einen elektrischen Generator 6 auf der Radachse, der ein geschwindigkeitsproportionales Signal (Spannung) erzeugt. Beim Erreichen eines vorgegebenen Spannungswertes schließt ein Relais 7 einen Schalter 13 in der Steuerschaltung, die aktiviert bleibt für den Fall, daß der Zug eine Kurve mit geeignetem Radius erreicht.

Der Kurvenradius wird durch den relativen Winkel zwischen den Wagen bestimmt, wenn sie eine Kurve erreichen, indem beispielsweise die relative Verschiebung benachbarter Wagenstirnseiten verwendet wird.

Bei Erreichen einer minimalen festgesetzten Bewegung entsprechend einem speziellen Kurvenradius schließt einer von mehreren Schaltern 8 in jeweiligen Kurvendetektoren 10 und 10' und bleibt geschlossen, vorausgesetzt die relative Längsbewegung fällt nicht unter einen festen vorgegebenen Minimalwert.

Damit die Steuerschaltung !»ktr/rt werden kann, demzufolge die Magnetventile 9 die Höh' neinsteiiventi-Ie 11 neutralisieren können, müssen zwei Bedingungen übereinstimmen: Die Geschwindigkeit muß über einem vorgegebenen Wert liegen und der Kurvenradius muß unterh:-b eines gewissen Wertes liegen. Jede dieser Bedingungen für sich kann die Steuerschaltung aktivieren, obgleich die Aktivierung nur dann eintritt, wenn beide Bedingungen gemeinsam bestehen.

Man bedenke, daß die beschriebene Zuordnung der aktivierten Magnetventile zu dem abgefallenen Höheneinstellventil 11 leicht in solcher Weise umgekehrt werden kann, daß dann, wenn die Magnetventile 9 abgefallen sind, dies eintritt, wenn die Höheneinstellventile 11 abgefallen sind. Der Unterschied besteht darin, daß bei Ausfall des Systems oder bei einem in dem System aufgetretenen Fehler, beispielsweise durch Ausfall der elektrischen Versorgung, im ersten Fall der Zug in der Kurve und auf gerader Strecke gehalten wird, so .daß er parallel zur Gleisebene steht, wobei die Höheneinstellventile offen bleiben, während im zweiten Fall der Zug in den Kurven überkippt, die Federn jedoch mögliche Lastungsymmetrien auf gerader Strecke nicht ausgleichen, und die Höheneinstellventile 11 geschlossen sind.

Die Kurvendetektoren 10 und 10' können jeweils am Anfang und am Ende des Zuges vorgesehen sein. Diese Anordnung stellt sicher daß die Reaktion des Systems mit minimaler Verzögerung in beiden Richtungen eintritt. Zur Abschaltung der Schaltung dient der Detektor am Ende des Zuges in beiden Fällen.

Es ist wichtig, derauf zu achten, daß die Einrichtung zur Aktivierung der Schaltung, d. h., daß die Höheneinstellventile 11 abgeschaltet sind, obgleich dies nicht voraassttz., daß das Fahrzeug zu dem Zeitpunkt kippt, noch daß dies nur dann auftritt, wenn eine Zentrifugalkraft auftritt und proportional dazu ist.

Ein Magnetventil 9 zum Abschalten der Federaufhängung (Lagerfeder 3') in einer Kurve, wodurch jede Veränderung in dem in ihr enthaltenen Luftvolumen vermieden wird, zeigt F i g. 4, welches iwischen den Federn 3' und den zugehörigen Höheneinstellventilen 11 zwiscriengeschaltet ist.

Die Höheneinstellventile 11 weisen eine nicht dargestellte Zeitgeber-Anordnung mit üblichem Betriebsablauf auf, wodurch di? Luftabgabe nach einer bestimmten Verzögerung gegenüber dem Zeitpunkt an ermöglicht wird, wenn eine Veränderung des Luftvolumens in der Feder aufgrund einer Veränderung der Last auf die be-

treffende Feder nötig wird. Auf diese Weise genügt es, daß die Verzögerung größer ist als die Zeitperiode zwischen der Veränderung der Federbelastung und dem Schließen des Ventils 9, damit die Federn vom Start in die Kurve aus arbeiten, so als wären sie früher abgeschaltet gewesen.

Die Aufnahme oder Abgabe von Druckluft durch die Federn ist nur dann wirksam, wenn aus Gründen der Lastveränderung die für die Federn festgelegten Maximal- oder Minimalhöhen überschritten werden. Jede Lastveränderung inneralb der relevanten Grenzen der jeweiligen Höhen wird nicht in eine Veränderung des Druckluftvolumens in den Federn übertragen. Jeder Wagen wird auf gerader Strecke im wesentlichen in horizontaler Stellung sein, weil er aus dieser Stellung nur innerhalb der Grenzen des definierten Höhenintervalls abweichen kann.

Eine andere mögliche Einrichtung zur Steuerung des Starts der Schwingung besteht in der Reduzierung des Höhenunterschiedes auf einen kleinen Wert und im Eliminieren der Verzögerung der Höheneinstellventile 11, wobei sichergestellt ist, daß der Druckluftstrom wesentlich reduziert ist. Auf diese Weise würde eine geringfügige Lastveränderung von den Höheneinstellventilen 11 festgestellt werden können.

Luft kann in die Federn einströmen oder von ihnen abgegeben werden, und zwar mit sehr geringer Durchsatzrate aufgrund geeigneter Drosseleinrichtungen, wodurch die Rückkehr der Aufhängung auf ihrer Nominalhöhe um eine kleine Zeitspanne verzögert wird. Bei beträchtlicher Veränderung der Belastung würde der Luftdurchsatz durch die Höheneinstellventile 11 entsprechend größer sein.

Beim Einführen in eine Übergangskurve verläßt die Aufhängung zunehmend die nominale Horizontalebene und Druckluft beginnt in die Feder mit kleiner Durchsatzrate einzuströmen und aus der gegenüberliegenden Feder mit ebenfalls kleiner Durchsatzrate zu entströmen, in dem Versuch, die Aufhängung auf ihre Nominalhöhe zurückzustellen, bis jedenfalls der Kurvendetektor die Magnetventile schließt. Als Folge eines geeigneten Druckluftstromes kann sichergestellt werden, daß das in den Federn enthaltene Druckluftvolumen nur geringfügige Schwankungen erleidet, wobei die Federn so arbeiten, als würden sie vor Einfahren in die Kurve blockiert oder abgeschaltet sein.

Die beiden Schwankungen können funktional als Äquivalent betrachtet werden und aus diesem Grunde wird das Verfahren nur für die Ausführungsform beschrieben, bei der verzögerter Betrieb der Höheneinstellventile gegeben ist

Der vollständige Zyklus läuft wie folgt ab:

Angenommen, der Zug fährt auf gerader Strecke mit einer Fahrgeschwindigkeit, die eine Pendelbewegung erfordert Die vom Generator 6 erzeugte Spannung ist größer als der vorbestimmte Minimalwert und das Relais 7 wird den Schalter 13 schließen. Der Kurvendetektor 10 an der Spitze des Zuges und der Detektor 10' am rückwärtigen Ende des Zuges stehen in der Neutralstellung, und die in ihnen enthaltenen Schalter 8 und 8' sind offen. Der Wagenkorper 5 bleibt parallel zur Schienenebene.

Beim Einfahren in eine Kurve nähern sich die vorderen Stirnseiten benachbarter Wagen an der Innenseite der Kurve und entfernen sich an deren Außenseite. Angenommen, die Kurvendetektoren seien so ausgelegt, daß sie bei Annäherung benachbarter Detektorköpfe aneinander ansprechen, in welchem Fall die beiden Schalter 8 in dem Detektor 10 an gegenüberliegenden Seiten des Zuges angeordnet sind, so daß sie alternativ betätigt werden je nachdem ob die Kurve sich nach rechts oder nach links wendet.

Wenn der Zug weiter durch die Kurve fährt, nähern sich die stirnseitigen Enden der Wagen zunehmend an der Innenseite der Kurve, bis der minimale Längsabsiand an der Zugspitze erreicht ist, an welcher Stelle einer der Schalter 8 schließt, wodurch die Schaltung ίο aktiviert wird und die Magnetventile 9 geschlossen werden und verhindern, daß Luft die Pneumatikfedern erreicht oder dieselben verlassen kann.

Die Höheneinstellventile 11 befinden sich in der Lufteinlaß- oder Luftablaßstellung, und zwar vom Augenblick des Einfahrens in die Kurve, wobei ein gewisses Ungleichgewicht durch die ansteigende Zentrifugalkraft erreicht wird. Nichtsdestoweniger findet weder ein Lufteinlaß noch Luftauslaß statt, und zwar weil die Verzögerung durch die Betätigung de ventile noch nicht voll verstrichen ist, wobei die Magnetventile 9 aktiviert werden, um eine Luftbewegung vor Ablauf der Verzögerung zu verhindern.

Die Federn werden luftdicht sein von dem Augenblick an, an dem zuerst in die Kurve eingefahren wurde, so daß die Wagenneigung proportional zur effektiv auftretenden Zentrifugalkraft ist.

Wenn sich der Kurvenradius zunehmend reduziert, bis er -''nen konstanten Wert erreicht, nimmt die Zentrifugalkraft zu und folglich auch die Neigung. Die Zentrifugalbeschleunigung unterscheidet sich für jeden in die Übergangskurve einfahrender Wagen entsprechend dem Krümmungsradius der jeweiligen Gleisstrecke. Die Wagenneigung unterscheidet sich ebenfalls anhand einer bestimmten Relativdrehung zwischen den Wagen, und zwar aufgrund der Gleisüberhöhung und der Zunahme derselben, bis der konstante Kurvenradius erreicht ist

Falls in einer Kurve gebremst werden muß, reduziert sich die Zentrifugalkraft entsprechend der Geschwindigkeit und als Folge davon reduziert sich auch die Wagenneigung. Wenn die Geschwindigkeit unter den minimalen vorgegebenen Wert abfällt, wird das Relais 7 des Tachometer-Detektors keinen Strom mehr erhalten, der Schalter öffnet und die Pneumatikaufhängung wirkt normal, als wäre der Zug auf gerader Strecke. Das gleiche tritt ein, bei einem Kurvenradius, der einen vorbestimmten Wert übersteigt, so daß der Schalter 8 nicht schließt und nach Auslaufen der Ventilverzögerung der Zug parallel zur Gleisebene steht, gerade wie das bei gerader Streckenfahrt der Fall ist

Wenn anstelle zu Bremsen die Fahrgeschwindigkeit in der Kurve erhöht wird, nimmt die Zentrifugalkraft zu und entsprechend nimmt auch die Wagenneigung zu wobei stets die gleiche Beziehung zwischen der kompensierten seitlichen Beschleunigung für eine Fahrzeugneigung um den Winkel α und der unkompensierten Seitenbeschleunigung aufrechterhalten wird, die der insasse aushalten muß und die die Aufhängung zur Erzeugung der Neigung distordiert

Diese Beziehung ist eine inhärente Eigenschaft des Fahrzeugs. Sie kann in geeigneter Weise dadurch variieren, daß die Höhe der Aufhängung über dem Gravitätszentrum (= Schwerpunkt) verändert wird, indem ferner der Abstand zwischen den Federn verändert wird etc.
Beim Verlassen der Kurve reduziert sich der Radius zunehmend bis eine Stelle erreicht wird, bei der die Spitze des Zuges in den Grenz-Radius einläuft, woraufhin sich der Schalter 8 öffnet Die Zugneigng bleibt auf-

rechterhalten, da die Steuerschaltung aktiviert bleibt, solange einer der Schalter 8' am Ende des Zuges geschlossen bleibt, bis der vollständige Zug jene Stelle passiert hat.

Wenn ein Zug entgegengesetzter Richtung begegnen sollte, aktiviert einer der Schalter 8' die Schaltung beim Einfahren in die Kurve und der geeignete Schalter 8 wir<i beim Verlassen der Kurve betätigt. Beim Durchfahrender Kurve in anderer Richtung ist der Arbeitsablauf exakt der gleiche mit dem einzigen Unterschied, daß Schalter 8 und 8' der jeweiligen Detektoren 10 und 10' zur Aktivierung der Schaltung jene sind, die symmetrisch an gegenüberliegenden Seiten des Zuges angeordnet sind.

In gleicher Weise kann die Kurve mit den Schalter 8 oder 8', die an der Außenseite der Kurve angeordnet sind, festgestellt werden, in welchem Fall die Schalter schließen müssen, wenn der Abstand zwischen den Stirnseiten zunimmt.

Jedes Paar symmetrisch verschalteter Detektoren 10 und 10' kann durch einen einzigen Detektor ersetzt werden, der zwei Schalter aufweist, von denen einer die Schaltung aktiviert, wenn der Abstand zwischen den Stirnseiten abnimmt (bei einer Kurve nach einer speziellen Seite zu), wobei dann der andere in Tätigkeit tritt, wenn der Abstand zwischen den Stirnseiten zunimmt, (bei einer Kurve nach der entgegengesetzten Seite).

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

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Claims (7)

Patentansprüche:

1. I.aufradrahmen mit Pendellagerung für mehrglipdrige Eisenbahnfahrzeuge mit symmetrisch beiderseits der Mittellängsebene der Fahrzeuge angeordneten Federn, die sich einerseits am Laufradrahmen und andererseits an einem Gegenlager im Aufbau eines Fahrzeuges oberhalb von dessen Schwerpunkt abstützen, dadurch gekennzeichnet,

a) daß die Federn als Luftfedern (3') mit Membranen ausgebildet sind und Be- und Entlüftungsmittel (Ventile 11) zur Niveausteuerung aufweisen,

b) daß die Federn unabhängig voneinander und frei von Kopplungselementen für ein zwangsweises Neigen des Aufbaus (5) arbeiten und

c) daß Mittel (Ventile 9) zum Reduzieren der Drirc'iluftströmung durch die Be- und Entlüftungsmitte! bei sich aufgrund von Zentrifugalkräfte neigendem Aufbau sowie mindestens ein Detektor (10 bzw. 10') zum Feststellen des Krümmungsradius einer durchfahrenen Kurve vorgesehen sind.

2. Laufradrahmen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Reduzieren der Druckluftstrcmung Drosseleinrichtungen umfassen, die so eingestellt sind, daß die Null-Lage der Luftfedern nach Auslenkung durch unkompensierte Zentrifugalkräfte in einer durchfahrenen Kurve in einem wesentlich längeren Zeitraum wieder erreicht wird als beim Durchfahren einer Übergangskurve eines Gleises.

3. Laufradrahmen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Laufradrahmen (1) zwei Luftfedern (3') mit einem Höheneinstellventil (11) je Luftfeder zugeordnet sind, und daß zwischen jeder Luftfeder (3') und ihrem zugeordneten Höheneinstellventil (11) ein Absperrventil (VJ zum Sperren einer Luftströmung während der Kurvenfahrt angeordnet ist.

4. Laufradrahmen nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Höheneinstellventile (11) eine vorbestimmte Verzögerungszeit aufweisen, welche diejenige Zeit überschreitet, die zwischen dem Beginn einer Federauslenkung und dem Abschalten des Absperrventils verstreicht.

5. Laufradrahmen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Detektor (10 bzw. 10') auf relative Abstandsveränderungen zwischen den Stirnseiten aufeinanderfolgender Aufbauten (5) anspricht und ein Signal abgibt, wenn der Abstand einen vorgegebenen Minimalwert überschreitet.

6. Laufradrahmen nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoren (10 bzw. 10') am Kopf und am Ende eines Eisenbahnzuges angeordnet sind und die Steuerung der Absperrventile (V) beim Einfahren und Verlassen jeder Kurve aktivieren bzw. inaktivieren.

7. Laufradrahmen nach einem der vorherstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Reduzieren der Druckluftströmung durch ein die Überschreitung der Fahrgeschwindigkeit um einen vorgegebenen Wert signalisierendes Steuersignal in Verbindung mit einem festgestellten, vorbestimmten Krümmungsradius des durchfahrenen Gleises aktivierbar sind.