DE2614166C3 - Radsatz für Schienenfahrzeuge - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Radsatz gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs I oder des Patentanspruchs 2,

Bei Schienenfahrzeugen neigen bekanntlich vor allem Drehgestelle mit seitlich relativ starr im Drehgestellrah' geführten und stark zentrierende Laufflächen

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aufweisenden Radsätzen — bei sonst günstigen Laufeigenschaften — insbesondere unter höheren Fahrgeschwindigkeiten zu instabilem Lauf, wobei die Drehgestelle unter dem aufliegenden Fahrzeugrahmen schnelle und heftige Drehbewegungen um ihre Hochachse (Gierbewegungen) ausführen: Nach Überschreiten einer bestimmten kritischen Fahrgeschwindigkeit geraten die Drehgestelle in Gierschwingungen verbunden mit seitlichen Schiebe- bzw. Querbewegungen, die sich bei weiterer Erhöhung der Fahrgeschwindigkeit bis zu einem gefährlichen Zick-Zack-Lauf aufsc! aukeln können. Die Folge ist ein Anschlagen der Spurkränze an die Schienen und damit eine große Laufunruhe sowie ein hoher Verschleiß der Spurkränze, Schienen und des Oberbaus. Eine entsprechende Erhöhung des Ausdrehwiderstandes der Drehgestelle beispielsweise mittels Drehhemmungen führt zwar zu einem stabileren Lauf, mindert aber auch die Bogenläufigkeit der Drehgestelle. Letzteres läßt sich selbstverständlich auch bei Verwendung von solchen Drehhemmungen nicht völlig ausschließen, deren Ausdrehwiderstand mit zunehmender Ausdrehung der Drehgestelle abnimmt. Dagegen kann zwar durch Einrichtungen zur Steuerung der Drehgestelle in eine bestimmte Position zum Gleis die Bogenläufigkeit verbessert werden. Die bekannten Einrichtungen dieser Art vermögen jedoch wegen des Positionierungseffektes nicht, die vorgenannte Aufgabe der Stabilisierung des Drehgestellaufes zu erfüllen. Eine geeignete Lösung hierzu, also den Gierschwingungen und seitlichen Schiebe- bzw. Querbewegungen vorzubeugen, kann auch nicht in Radsätzen mit lose auf der Achswelle drehbar gelagerten Rädern gesehen werden. Die Losradanordiiung hat zwar gegenüber dem klassischen Fest-Radsatz mit auf einer gemeinsamen Achswelle festsitzenden, also untereinander starr gekoppelten Rädern den Vorteil, daß bei einer seitlichen Verschiebung des Radsatzes (insbesondere im Gleisbogen) aufgrund der dann unterschiedlichen Rollradien der Räder keine Längsgleitungen zwischen Rad und Schiene mit der Folge von destabilisierenden Zuständen entstehen können. Wegen des Fehions der Selbstzentrierung werden allerdings - wie beim Automobil aufwendige Lenk- oder Steuereinrichtungen erforderlich, um im Gleisbogen die Positionierung des Radsatzes vornehmen zu können. Im übrigen ist bekanntlich die Losradanordnung mit hohem Spurkranzverschleiß behaftet.

Eine Verminderung der Gierschwingungen und seitlichen Schiebe- bzw. Querbewegungen bei Drehgestellen mit Fest-Radsätzen ist zwar durch Verkleinern der Laufflächenneig'jng bei den Rädern möglich, weil dann zwangsläufig die mögliche Rollradiendifferenz und damit auch der davon abhängige (Längs-)Schlupf der Räder geringer wird. Hieraus resultiert jedoch wiederuiii eine Verminderung der auf das Drehgestell um seine Hochachse ausgeübten Drehmomente (Giermomente) und folglich eine beträchtliche Verschlechterung der Bogenläufigkeit, da diese Drehmomente ein Hauptbestandteil der vom Radsalz ausgeübten Führungskräfte sind. Beim Verkleinern der Laufflächenneigung bzw. Konizität des Radprofils geht also die Stabilisierung des Radsatzes und Drehgestellaufs zu Lasten der Bogenläufigkeit, im Gegensatz zu Radsätzen mit großer Laufflächenneigung der Radprofile, Welche bekanntlich eine gute Bogenläufigkeit Und eine relativ schlechte Laufstabilität aufweisen. Im übrigeri Wird sich unabhängig Vom ursprünglich Vorgegebenen Profil der Laufflächen über kurz oder lang ohnehin das sogenannte Verschieißpröfil mit der Folge einer großen Röllradiendifferenz der Räder einstellen. Demnach ist grundsätz*

lieh mit destabilisierenden Zuständen zu rechnen.

In Anbetracht dessen stellt sich das Problem, eine Stabilisierung des Radsatzes bzw. des Drehgestellaufs ohne Beeinträchtigung der Bogenläufigkeit bzw. des Führungsverhaltens des Radsatzes unabhängig vom s Verschleißzustand der Laufflächen der Räder sicherzustellen. Lösungen hierzu können auch in den drei in der DE-OS 22 59 035 beschriebenen Ausführungsformen einer Spurführung von Radsätzen gleisgebundener Fahrzeuge nicht gesehen werden, bei der die Stellung in der Achsmittelpunkte der Radsätze zur Mittelebene des Gleises aktiv durch eine Lageregelung beeinflußt wird, deren Stellglieder direkt oder indirekt auf die Radsätze einwirken. Denn allen drei Ausführungsformen ist gemeinsam, daß sie allenfalls nur die aufgrund der π Konizität der Laufflächen vorgegebene Steuerungswirkung der Räder zu verbessern vermögen. Bei der ersten Ausführungsform für einen Fest- oder Losradsatz wird dies durch einen Positionierungsvorgang, nämlich durch Drehen des Radsatzes um seine Hochachse mit der jii Folge einer Veränderung der effektiven Konizität der Laufflächen und somit der Rollradien der Kader erreicht. Da allerdings nur extrem kleine Drehungen zur Beeinflussung des Führungsverhaltens des Radsatzes notwendig sind, ist die betreffende Einrichtung sehr .'> schwer zu realisieren. Dasselbe gilt für die vorgeschlagene axiale Verschiebung der Räder gemäß der zweiten Ausführungsform. Hier stellt sich überdies noch das Problem, daß bei einer Veränderung der Rad-Schiene-Berührungsverhältnisse durch Laufkranzverschleiß der »> für die Auslegung des Systems angenommene Zusammenhang zwischen Radquerverschiebung und Wanderung des Radaufstandspunktes auf dem Laufprofil nicht mehr besteht. Für eine genaue Wirkung des Systems müßte daher der jeweilige Radaufstandspunkt meßbar η sein, was natürlich nicht möglich ist. Schließlich trägt das Vorgeben einer Drehzahldifferenz durch ein Differentialgetriebe gemäß der dritten Ausführungsform, bei der jedes Rad einzeln angetrieben auf einer eigenen Achswelle sitzt und die beiden Achswellen je Radpaar w über das Differentialgetriebe gekoppelt sind, auch nur zur Erhöhung der effektiven Konizität der Räder bei. Sobald sich bei dem Radsat/ nach längerem Lauf ein Verschleißprofil einstellt, also ein ohnehin eine große Rollradiendifferenz verursachendes Profil, wird dessen >'· Wirkung durch die vorgegebene Drehzahldifferenz noch erhöht und damit der Radsatz zwangsläufig destabilisiert. Allen drei Ausführungsformen ist somit gemeinsam, daß die angestrebte Wirkung allenfalls nur bei Rädern mit exakt konischen Laufflächen gewährlei- ί<· stet ist. Sobald sich ein Verschleißprofil ausbildet, sind die zweite und dritte Ausführungsform unbrauchbar. Die erste Ausführungsform ist nur bei herabgesetzter Kreisverstärkung des Regelsystems brauchbar. Dann ist allerdings die Effektivität sehr gering, d. h. das aus einem ■· Verschleißprofil resultierende Führungs- und Stabilitätsverhalten des Radsatzes dominiert.

Schließlich wird bei einem durch die DE-PS 9 50 011 bekannten, der eingangs angegebenen Gattung entsprechenden Radsatz mit gegeneinander drehbaren Rädern ·><> durch Zwischenschaltung einer willkürlich regelbaren Bremse, deren Bremskraft bzw. Wirkung einmalig festgelegt wird, eine Verbesserung des Sinuslaufs bloß insoweit erreicht, daß ein Kleben der Räder dieses Losradsatzes an der Schiene vermieden wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, im Rahmen der Verbesserung der Laufeigenschaften insbesondere von Drehgestellen, also im Hinblick auf eine Erhöhung der kritischen Fahrgeschwindigkeit von Schienenfahrzeugen ihre Radsätze derart auszubilden, daß unerwünschte Auswirkungen eines Profilverschlei-Qes der Laufflächen der Räder auf die Stabilität vornehmlich ohne Beeinträchtigung des Führungsverhaltens der Radsätze vermeidbar sind und demzufolge die bekanntlich verschleißgünstigen Schmjerungsverhältnisse beim Verschleißprofil weiterhin ausnutzbar sind, wobei dem Radsatz ein definiertes Stabilitäts- und Führungsverhalten verliehen werden können soll. Hierbei sollen die Radsätze sowohl bei Lauf- als auch bei Triebgestellen verwendbar sein, ohne jedoch auf die Verwendung bei Schienenfahrzeugen mit solchen Gestellen beschränkt zu sein.

Diese Aufgabe ist bei einem Radsatz der eingangs genannten Art gemäß dem Kennzeichen des Patentanspruchs 1 oder, im Rahmen von Triebgestellen, gemäß dem Kennzeichen des Patentanspruchs 2 gelöst.

Sämtlichen Lösungen liegt einheitlich der Gedanke zugrunde, üaß der aus großen Rollradiendifferen/en der Räder resultierende destabilisierenv;⁴ (Längs J.Schlupf der Räder relativ zum Gleis im Sinne der _rfindungsaufgabe ohne Schwierigkeiten beeinflußbar ist, sofern die Räder nur in bezug auf eine gemeinsame Achswelle Losräder sind. Angesichts dessen ist die grundsätzliche Wirkurg der Kupplung (gemäß Patentanspruch I oder 2) in der Modulierung der (Längs-)Schlupfkräfte zwischen den Rädern und dem Gleis im Sinne d<*r Verbesserung der durch ein Verschleißprofil gegebenen Stabilitätsbedingungcn zu scher.. Der Schlupf in der Kupplung vermindert die dynamisch wirksame Koni/ität sowie den dynamisch wirksamen Radabsland und führt damit bei Radsätzen mit Verschlcißprufil der Räder zu einem guten Stabilitätsverhalten. Ein gutes Führungsverhalten im Gleisbogen kann in einfacher Weise durch Beseitigung des Schlupfes in der Kupplung erreicht werden, d. h. der Radsatz erfüili dann die Funktion eines Fest-Radsatzes mit den ihm eigenen guten Führungseigenschaften.

Im Vergleich hierzu ist die grundsätzliche Wirkung des Differentialgetriebes mit Antrieb ebenfalls in einer Beeinflussung der dynamisch wirksamen Konizitat sowie des dynamisch wirksamen Radabstjndes /u sehen. Jedoch wird diesbezüglich die Drehzahl des (Steuer-)Antriebs je nach konizitätsbedingter Differenzdrehzahl der Räder stufenlos geändert, und zwar zwischen positiven und negativen Werten. Das Differentialgetriebe ist also nicht lediglich zum Einstellen oder Erhöhen einer Relativgeschwindigkeit der Räder zum Gleis wirksam, sondern auch zum Vermindern einer Relativgeschwindigkeit, was bei Verschleißprofilen der Regelfall sein wird. In diesem Falle braucht de-r (Steuer-)Antrieb nur eine solche Drehrichtung gegeben zr wc.dtn, um einer konizitätsbedingten Differenzdrehzahl der Räder entgegenwirken zu können. Diese Wirkung des Antneoes bzw. Differentialgetriebes aus Stabilisierungsgründen bei zu hoher Difterenzdrehzahl entspricht derjenigen der Kupplung. Im Gegensatz hierzu ist beispielsweise bei der dritten Ausführungsform gemäß der vorgenannten DE-OS 22 59 035 die vorgeschlagene Vorgabe einer Drehzahldifferenz dem Einstellen einer Differenzdrehzahl nur im Sinne einer Erhöhung der konizitätsbedingten Differenzdrehzahl der Räder gleichzusetzen, wodurch von vornherein Radsätze mit VerscMeißprofi! der Laufflächen zwangsläufig ausgeschlossen werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung und der in den Unteransprüchen gekennzeichneten Weiterbildungen

werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt schematisch in

I⁷ig. I einen Längsschnitt durch einen Radsalz mit über eine kupplung untereinander verbundenen Rädern und Mittel zur Steuerung der Kupplung;

Fig.2 einen Längsschnitt durch einen Radsatz mit über ein Differentialgetriebe untereinander Verbundenen Rädern.

Gemäß Fig. I ist die Achswelle 1 eines Radsatzes beispielsweise im Rahmen bzw. den Längsträgern 2 eines Drehgestells mittels einer — z. B. in lateraler Und vertikaler Richtung weichen und in longitudinal Richtung harten — Federung 3 angeordnet, wobei die Räder 4 auf der Achswelle drehbar gelagert sind. Die beireifenden nur symbolisch angedeuteten Radlager 5 können Wälzlager sein. Bei diesem Radsatz sind jedoch die Räder 4 keine sogenannten Losräder, also zueinander lose auf der Achswelle 1 sitzende Räder. Denn die Räder 4 sind iiher pin? (auch nur Echemstisch angedeutete) Kupplung 6 miteinander verbunden, wobei diese ein um die Achswelle 1 drehbar angeordnetes Verbindungsmittel zwischen den Rädern ist und folglich mit ihnen umlaufen kann. Es handelt sich hierbei um eine steuerbare elektromagnetische Reib-Kupplung 6, bei der bekanntlich die Reibwirkung eines in Öl oder Graphit eingemischten magnetisierbaren Eisenpulvers 6.1 zum Übertragen von Drehmomenten ausgenutzt wird und ein Schlupf durch Verändern eines Erregerstromes auch im Lauf einstellbar ist. Da solche Kupplungen allgemein bekannt sind, wird auf weitere Erläuterungen ihres speziellen Aufbaus verzichtet.

Bei dem dargestellten Radsatz hat die Kupplung 6 die Funktion, beim Lauf des Radsatzes längs des Gleises 7 im Falle eines Rollradienunterschiedes der Räder 4 eine Differenzdrehzahl im Sinne einer Stabilisierung des Radsatzes zuzulassen, ί Iso den Längs-Schlupf der Räder zu vermindern.

Dies gilt vor allem, wenn sich das sogenannte Verschleißprofil bei den Rädern 4 einstellt. Dann ha* bekanntlich der klassische Fest-Radsatz ein gutes Führungsverhalten, jedoch sind infolge des Verschleißprofils die Stabilitätsbedingungen aufgrund einer großen Roiiradienditlerenz und damit eines großen Längs-Schlupfes der Räder relativ zum Gleis schlecht. In diesem Fall braucht bei der beschriebenen Anordnung der Räder 4 und Kupplung 6 hier durch entsprechende Änderung des Erregerstromes nur ein Schlupf eingestellt zu werden, um den Längs-Schlupf der Räder 4 zum Gleis 7 zu vermindern. Die Kupplung 6 ist demnach bei dem Radsatz ein geeignetes Stellglied, mittels dessen der gesamte aus der Rollradiendifferenz der Räder 4 resultierende Schlupf in Längs-Schlupf der Räder zum Gleis 7 und Schlupf in der Kupplung aufteilbar ist Somit ist der Radsatz dynamisch unabhängig vom Radprofilverschleiß. Was das Führungsverhalten des Radsatzes insbesondere im Gleisbogen betrifft, so braucht dann über die Kupplung 6 nur eine starre Verbindung zwischen den beiden Rädern 4 hergestellt zu werden, so daß der Radsatz zwangsläufig als ein Fest-Radsatz wirkt.

Wie aus F i g. 1 des weiteren hervorgeht, kann die Kupplung 6 zum vorgenannten Zweck der Stabilisierung des Radsatzes nach Maßgabe eines Reglers 8 gesteuert werden. Dazu erhält der Regler 8, z. B. ein Zustandsregler, von am Radsatz (Achswelle 1) und Drehgeste!! (Längsträger 2) angeordneten Beschleunigungsmessern 9 und 10 Meßwerte der Frequenz eventuell aufklingender Radsatz- bzw. Drehgestell-Sinusschwingungen und ferner in nicht dargestellter Weise Meßwerte der (Fahrzcug-)Geschwifidigkeit v. Unter Umständen werden auch Meßwerte der Verdrehung bzw. seitlichen Verschiebung des Drehgestells gegenüber einem aufliegenden Wagenkasten zugeführt. Hinzu kommen bei angetriebenen oder gebremsten Rüdern Meßwerte der Antriebs- bzw; Bfemsmomeritdiffercnz der Räder. Aufgrund dieser Meßwerte liefert der Regler 8 Steuersignale in dem Sinne, daß der Schlupf

der Kupplung 6 (durch entsprechendes Verändern des Erregerslronies) mit zunehmender Geschwindigkeit vergrößert und mit abnehmender Geschwindigkeit vermindert wird, wobei zusätzlich eventuelle Antriebsbzw. Bremsmomentdifferenzen der RaJer 4 abgeglichen werden. Mittels dieser Meßwerte kann durch entsprechende Ansteuerung der Kupplung 6 die Stabilität im gesamten Geschwindigkeitsbereich aufrechterhalten werden.

betrifft so

kann gemäß F i g. 1 der Regler 8 als Fiihrungskraftregler zusätzlich noch den Istwert der Lage bzw. seitlichen Verschiebung des Radsatzes gegenüber der Gleismittelebene aus der Differenz der Meßwerte zweier an der Achswelle 1 beidseitig des Gleises 7 angeordneter Abstands-Sensoren 11 ermitteln. Den betreffenden Sollwert erhält der Regler 8 von einem Lagerechner 12, z. B. einem fest verdrahteten Analogrechner. Diesem werden von zwischen der Achswelle 1 und dem Längsträger 2 sitzenden Kraftmessern 13 Meßwerte der am Radsatz einwirkenden Querkräfte, insbesondere Wind· und Fliehkräfte, zugeführt, um hieraus den Erwartungswert (Mittelwertbildung) dieses Sollwertes der Lage bzw. seitlichen Verschiebung des Radsatzes gegenüber der Gleismittelebene zu bilden. Entsprechend geeicht zeigt der Kraftmesser 13 infolge der gewählten Anordnung auch eine Querverschiebung des Radsatzes (Achswelle 1) gegenüber dem Drehgestell (Längsträger 2) an, die bei Bedarf dem Regler 8 zugeführt werden kann.

Mittels des Reglers 8 wird der Erregerstrom bei der Kupplung 6 im Sinne einer Verminderung der Differenz zwischen dem Soll- und Istwe'rt verändert.

Sofern auch besonders enge OleisDogen aurchtatiren werden sollen oder bei Radsätzen mit besonders geringer Konizität der Laufflächen der Räder 4 muß natürlich eine Differenzdrehzahl der Räder im Sinne einer Verbesserung sowohl des Stabilitäts- als auch des Führungsverhaltens des Radsatzes einstellbar sein. Für diesen Fall sind gemäß F i g. 2 die Räder 4 des Radsatzes ebenfalls auf der Achswelle 1 drehbar gelagert, jedoch über ein um die Achswelle drehbar angeordnetes Differentialgetriebe 14 miteinander verbunden. Hierbei ist das Differentialgetriebe 14 mittels eines Antriebes 15 so steuerbar, daß je nach gefordertem Stabilitäts- und Führungsverhalten des Radsatzes die Differenzdrehzahl der Räder 4 vermindert bzw. erhöht werden kann. Die Drehzahl des Antriebes 15 braucht hierzu nur stufenlos von negativen zu positiven Werten geändert zu werden. Im ersten Fall (negative Werte) wirkt der Antrieb 15 als Bremse und erfüllt dann zusammen mit dem Differentialgetriebe 14 die gleiche Funktion wie die vorbeschriebene Kupplung 6. Die Steuerung des Antriebes 15 kann natürlich auch nach Maßgabe eines Reglers 8 gemäß Fi g. 1 bzw. der hier dargestellten kompletten Regelan-Ordnung erfolgen.

Schließlich ist noch hervorzuheben, daß es bei Hochgeschwindigkeitsfahrzeugen mit Triebgestellen in Anbetracht der erfahrungsgemäß nur nötigen Stabilisie

rung der Radsätze zweckfnäßig sein wird, diesbezüglich nur die Kupplung 6 gemäß Fig* I vorzusehen, aber in Kombination mit dem Differentialgetriebe 14 gemäß Fig,2 ohne den Antrieb 15. Bei dem entsprechenden kombinierten System, bei dem dann die Kupplung 6

gemäß PIg₁1 anstelle des (Steuer-JÄntriebes i5 gemäß F i g. 2 vorzusehen ist, erfüllt das Differentialgetriebe in üblicher Weise die Funktion eines die Antriebskräfte ausgleichenden Antriebsmittels, welches von einem Hauptantrieb desTfiebgestelis angetrieben wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

•09 684/319

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Radsatz für Schienenfahrzeuge, dessen profilierte Laufflächen aufweisende Rüder zum aktiven Einstellen einer Differenzdrehzahl auf einer gemein- ^r> samen Achswelle drehbar gelagert sowie über eine steuerbare kraftschlüssige Kupplung mit auch im Lauf einstellbarem Schlupf oder über ein im Sinne einer Differenzdrehzahlverminderung oder -erhöhung steuerbares Differentialgetriebe miteinander i'i verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupplung (6) bzw. über einen auch als Bremse einsetzbaren Antrieb (15) das Differentialgetriebe (14) nach Maßgabe eines Reglers (8), der als Stabilisierungsregler wenigstens Meßwerte der i"> Frequenz aufklingender Radsatz-Sinusschwingungen und der Fahrzeuggeschwindigkeit erhält, in dem Sinne steuerbar ist, daß mit zunehmender Fahrzeuggeschwindigkeit der Schlupf der Kupplung bzw. die Drehzahl des Antriebs im Bereich negativer .·<> DrehzahlwiTte (Bremswirkung) vergrößert wird und mit abnehmender Fahrzeuggeschwindigkeit der Schlupf der Kupplung bzw. die Drehzahl des Antriebs im Bereich negativer Drehzahlwerte vermindert wird. -'>

2. Radsatz für Schienenfahrzeuge, dessen profilierte Laufflächen aufweisende Räder über ein Differentialgetriebe angetrieben werden und zum aktiven Einstellen einer Differenzdrehzahl auf einer gemeinsamen Achswelle drehbar gelagert sowie »' über eine steuerbare kraftschlüssige Kupplung mit auch im Lauf einstellbarem Schlupf miteinander verbunden sind, dadurch geker -.zeichnet, daß die mit dem Differentialgetriebe als gemeinsames Verbindungsmittel zwischen den R^;\iern angeordnete r. Kupplung nach Maßgabe eines Reglers, der als Stabilisierungsregler wenigstens Meßwerte der Frequenz aufklingender Radsatz-Sinusschwingungen und der Fahrzeuggeschwindigkeit erhält, in dem Sinne steuerbar ist, daß der Schlupf der Kupplung "i mit zunehmender Fahr/euggeschwindigkeit vergrößert und mit abnehmender Fahrzeuggeschwindigkeit vermindert wird.

3. Radsatz nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Regler (8) als r> Führungskraftregler, welcher aus der Meßwertdifferenz der beiderseitigen Abstände der Achswelle (1) gegenüber dem Gleis (7) den Istwert der Lage bzw. seitlichen Verschiebung des Radsatzes gegenüber der Gleismittelebene und den betreffenden Sollwert '>" unter Ermittlung seines Erwartungswertes aus den am Radsatz einwirkenden Querkräften (insbesondere Wind- und Fliehkräfte) erhält, der Schlupf der Kupplung (6) bzw. die Drehzahl des Antriebs (13) im Sinne einer Verminderung der Differenz zwischen >. dem Soll- und Istwert veränderbar ist.