DE2725984A1 - Fahrgestell, insbesondere fuer eisenbahnen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Fahrgestell, insbesondere ein Fahrgestell für Eisenbahnen.

Bei herkömmlichen Fahrgestellen, insbesondere für Eisenbahnen, ist der Reibungswiderstand durch seitlich angeordnete Lager hoch.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein einfaches Fahrgestell, insbesondere Eisenbahn-Fahrgestell, anzugeben, das die Rotationsreibung zwischen einem Lenkschemel und einem Radgestell erheblich herabsetzt.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass weiche Federn zwischen einem Wagenkörper und einem Radgestell befestigt sind zur Herabsetzung des Drehwiderstands des Wagenkörpers gegenüber dem Radgestell, wobei die Federkonstanten in Längsrichtung und in Querrichtung der Achsfedern bestimmt sind zu - Alpha/Omega > 0, wobei Alpha die Dämpfung oder Streuung der Schwingung einer Zickzackbewegung wiedergibt und Omega die Frequenz der Zickzackbewegung darstellt. Ein wesentliches Merkmal der Erfindung liegt darin, dass die Laufstabilität eines Gestells oder eines Wagens bei Geschwindigkeiten bis zu 140 km/h erreicht werden kann durch Begrenzen der Längs- und der Quer-Federkonstanten eines eine Achsbuchse tragenden Glieds auf vorgegebene Werte.

Die Erfindung wird ausführlich anhand der folgenden Erläuterung und der Beschreibung der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 im Schnitt die Beziehung zwischen einem Wagenkörper und einem Radgestell eines herkömmlichen Fahrgestells,

Fig. 2 in Seitenansicht einen Wagenkörper, der ein Modell eines Schwingungssystems darstellt zur Berechnung einer Zickzackbewegung,

Fig. 3 in Aufsicht einen Wagenkörper zur Darstellung eines Modells eines Schwingungssystems bezüglich der Berechnung einer Zickzackbewegung,

Fig. 4 im Schnitt ein Modell eines Schwingungssystems eines Wagenkörpers bezüglich einer Zickzackbewegung,

Fig. 5 in Seitenansicht die Darstellung gemäß Fig. 4,

Fig. 6 in Aufsicht ein Modell eines Schwingungssystems eines Wagenkörpers bezüglich einer Zickzackbewegung,

Fig. 7 ein Diagramm zur Darstellung der Beziehung zwischen Quer-Federkonstante einer Achsfeder und einer Zickzackbewegungs-Stabilität,

Fig. 8 ein Diagramm zur Darstellung der Beziehung zwischen der Längs-Federkonstante einer Achsfeder und der Zickzackbewegungs-Stabilität.

Ein herkömmliches Eisenbahn-Fahrgestell besitzt, wie in Fig. 1 dargestellt, einen Wagenkörper 1, der auf einem Radgestell 5 über (Drehgestell-)Schemelfedern 2, einen Lenkschemel 3 und Seiten- oder seitlichen Lagen 4 angeordnet ist. Der Lenkschemel besitzt einen zentralen oder mittigen Stift 6, der in eine im Radgestell 5 vorgesehene Vertiefung so eingesetzt ist, dass dann, wenn der Wagen längs eines gekrümmten Weges läuft, der Lenkschemel 3 sich bezüglich dem Radgestell 5 an diesem mittigen Stift 6 dreht. In diesem Fall könnte sich der Wagen zickzackförmig bewegen, was jedoch verhindert wird durch die durch die seitlichen Lager 4 hervorgerufene Reibungskraft. Bei diesem Aufbau wird jedoch ein seitlicher Druck auf den Wagen ausgeübt, wenn er längs eines gekrümmten Weges läuft, wodurch ein schnelles Verschleißen der Schienen hervorgerufen wird und übermäßiger Lärm entsteht.

Das Schwingungssystem des Fahrgestells gemäß der Erfindung, das in den Fig. 2 - 6 dargestellt ist, erzeugt eine Zickzackbewegung. Der Wagenkörper 1 wird in jeder Richtung, vertikal, seitlich (lateral) und in Längsrichtung auf dem Radgestell 5 mittels Schemelfedern 2A, 2B und Wagen-

Drehfedern 2C gehalten, die vor und hinter der Mitte eines Wagenkörpers angeordnet sind. Das Radgestell 5 wird in jeder Richtung, vertikal, lateral und in Längsrichtung, durch Radachsen 10 und Achsbuchsen 9 getragen mittels Achsfedern 8A, 8B, 8C, in der gleichen Weise wie im obigen Fall. Nach einem derartigen Aufbau läuft das Fahrgestell auf Schienen 11. Zusätzlich sind Dämpfungsglieder 12, 13, 14, 15 für die jeweiligen Federsysteme vorgesehen.

Die Gleichung einer Zickzackbewegung, wie oben erwähnt, ergibt sich zu: (1), (2), (3), (4), (5), (6), (7)

(8), (9), (10), (11), (12)

(13), (14), (15), (16)

(17)

Bei der tatsächlichen Berechnung werden die Trägheitsradien i[tief]w, i[tief]Tz, I[tief]Tx, i[tief]Bz, i[tief]Bx als Eingangssignale eingegeben und werden Trägheitsmomente erhalten durch i[tief]Tx[hoch]2, i[tief]Bz = m[tief]Bi[tief]Bz[hoch]2, I[tief]Bx = m[tief]Bi[tief]Bx[hoch]2. Dazu wird folgende Substitution der Variablen durchgeführt, um die Gleichungen (1) bis (17) durch diese zu ersetzen:

Dadurch können 34 dimensionale lineare simultane Differenzialgleichungen erhalten werden durch Verwendung von

Die ursprüngliche Bewegungsgleichung wird ersetzt durch x[tief]1 = X[tief]ie[hoch]Lambda t und, wenn die Koeffizientendeterminante Null ist, kann die folgende charakteristische Gleichung erhalten werden:

(18)

In dieser Gleichung sind alle Koeffizienten C[tief]1,1, C[tief]1,2, C[tief]34,34 nicht angegeben zur einfacheren Beschreibung, sondern lediglich diejenigen Koeffizienten, die nicht Null betragen:

C[tief]1,1 = -f[tief]2/m[tief]wv, C[tief]1,2 = -k[tief]wy/m[tief]w, C[tief]1,10 = f[tief]2/m[tief]w,

C[tief]1,18 = k[tief]wy/m[tief]w, C[tief]1,20 = ak[tief]wy/m[tief]w, C[tief]1,22 = h[tief]Tk[tief]wy/m[tief]w,

C[tief]2,1 = 1 (bis zur 2. Zeile); die Zeilen 3 - 32 sind weggelassen;

C[tief]33,17 = h[tief]2C'[tief]2/I[tief]Bx, C[tief]33,18 = h[tief]2k'[tief]2/I[tief]Bx, C[tief]33,21 = (b[tief]2[hoch]2C[tief]2 - h[tief]1h[tief]2C'[tief]2)/I[tief]Bx, C[tief]33,22 = (b[tief]2[hoch]2k[tief]2 - h[tief]1h[tief]2k'[tief]2)/I[tief]Bx,

C[tief]33,23 = h[tief]2C'[tief]2/I[tief]Bx, C[tief]33,24 = h[tief]2k'[tief]2/I[tief]Bx, C[tief]33,27 = (b[tief]2[hoch]2C[tief]2 - h[tief]1h[tief]2C'[tief]2)/I[tief]Bx, C[tief]33,28 = (b[tief]2[hoch]2k[tief]2 - h[tief]1h[tief]2k'[tief]2)/I[tief]Bx,

C[tief]33,29 = -2h[tief]2C'[tief]2/I[tief]Bx, C[tief]33,30 = -2h[tief]2k'[tief]2/I[tief]Bx, C[tief]33,33 = -2(b[tief]2[hoch]2C[tief]2 + h[tief]2[hoch]2C'[tief]2)/I[tief]Bx, C[tief]33,34 = -2(b[tief]2[hoch]2k[tief]2 + h[tief]2[hoch]2k'[tief]2)/I[tief]Bx, C[tief]34,33 = 1

Die Wurzel 2 oder der Mittelwert der Gleichung (18) kann ausgedrückt werden durch:

Lambda[tief]i = Alpha[tief]i +/- j Omega[tief]i ..(19),

wobei j = Wurzel aus -1. Die Stabilität einer Zickzackbewegung kann bestimmt werden oder unterschieden werden durch eine Größe mit dem Symbol Alpha[tief]i, d.h., wenn Alpha[tief]i < 0 ergibt sich eine gedämpfte Schwingung, wenn Alpha[tief]i = 0 ergibt sich eine stetige Schwingung und wenn Alpha[tief]i > 0 ergibt sich eine divergierende oder aufschaukelnde Schwingung.

Die Größe Omega[tief]i gibt eine Winkelschwingung wieder, wobei Omega[tief]i/2Pi eine Frequenz darstellt.

Folglich ist, wenn Alpha[tief]i < 0 mit größer werdenden - Alpha[tief]i/Omega[tief]i, eine bessere Zickzackbewegungs-Stabilität erreicht. Die genannten Größen Alpha[tief]i und Omega[tief]i sind daher zur Erfüllung dieser Bedingung zu bestimmen. Zur Berechnung werden dabei folgende Symbole mit ihren Bedeutungen verwendet:

2mB: Masse des Wagenkörpers,

mT: Masse des Radgestells 5,

mV: Masse der Radachse 10,

2I[tief]BZ: Trägheits- oder Massenmoment um die Vertikalachse des Wagenkörpers 1,

2I[tief]BX: Trägheits- oder Massenmoment um die Längsachse des Wagenkörpers 1,

I[tief]TZ: Trägheits- oder Massenmoment um die Vertikalachse des Radgestells 5,

I[tief]TX: Trägheits- oder Massenmoment um die Längsachse des Radgestells 5,

IW: Trägheits- oder Massenmoment um die Vertikalachse der Radachse 10,

2l: Abstand von Mittelplatte zu Mittelplatte zwischen vorderem und hinterem Fahrgestell,

2a: Achsabstand,

2b: Abstand zwischen rechtem und linkem Berührungspunkt von Rad und Schiene,

2b[tief]0: seitlicher oder Lateralabstand zwischen den Drehfedern 2'' ' des Wagenkörpers,

2b[tief]1: Lateralabstand zwischen den Achsenfedern 8',

2b[tief]2: Lateralabstand der Schemelfedern 2',

Gamma: Gradient der bearbeiteten Flächen der Räder,

r: durchschnittlicher Radius der Räder,

f[tief]1, f[tief]2: Längs- und Quer-Kriech- oder Dehnungskoeffizienten pro Achse,

V: Laufgeschwindigkeit des Wagens,

i/B: seitliche oder Lateralverschiebung des Wagenkörpers 1,

Ni[tief]B: Winkelverschiebung des Wagenkörpers 1 um die Vertikalachse,

Theta[tief]B: Winkelverschiebung des Wagenkörpers 1 um die Längsachse,

y[tief]T1, y[tief]T2: seitliche oder Lateralverschiebung eines vorderen Gestells bzw. eines hinteren Gestells,

Phi[tief]T1, Phi[tief]T2: Winkelverschiebungen eines vorderen bzw. eines hinteren Gestells um die Vertikalachse,

Theta[tief]T1, Theta[tief]T2: Winkelverschiebung des vorderen bzw. des hinteren Gestells um die Längsachse, y[tief]1, y[tief]2: seitliche oder Lateralverschiebung der vorderen und der hinteren Achse des vorderen Gestells,

Phi[tief]1, Phi[tief]2: Winkelverschiebung der vorderen bzw. der hinteren Achse des vorderen Gestells um die Vertikalachse,

y[tief]3, y[tief]4: seitliche oder Lateralverschiebung der vorderen bzw. der hinteren Achse des hinteren Gestells,

Phi[tief]3, Phi[tief]4: Winkelverschiebung der vorderen bzw. der hinteren Achse des hinteren Gestells um die Vertikalachse,

h[tief]T: Höhenabstand zwischen der Mitte der Radachse 10 und dem Schwerpunkt des Radgestells 5,

h[tief]1: Höhenabstand vom Schwerpunkt des Radgestells 5 zur Mitte der Schemelfeder,

h[tief]2: Höhenabstand von der Mitte der Schemelfeder zum Schwerpunkt des Wagenkörpers 1,

k[tief]1: Federkonstante der Achsenfeder 8 für eine Seite eines Gestells,

k[tief]2: Federkonstante der Schemelfeder 2 für eine Seite eines Gestells,

k'[tief]2: Federkonstante der Schemelfeder 2' für eine Seite eines Gestells,

k"[tief]2: Federkonstante der Schemelfeder 2" für eine Seite des Gestells,

C[tief]0: Dämpfungskoeffizient des Dämpfungsglieds 15,

C[tief]1: Dämpfungskoeffizient des Dämpfungsglieds 14,

C[tief]2: Dämpfungskoeffizient des Dämpfungsglieds 13,

C'[tief]2: Dämpfungskoeffizient des Dämpfungsglieds 12,

k[tief]wx: Federkonstante der Achsenfeder 8" pro Achse,

k[tief]wy: Federkonstante der Achsenfeder 8' pro Achse.

Am meisten beeinflussen die Stabilität der Zickzackbewegung in diesem Fall die Federkonstanten der Achsenfedern 8B und 8C in der Quer- und der Längsrichtung. Bei praktischer Anwendung können die Schemelfedern 2A, 2B in Form von Luftfedern oder Spiralfedern, die Achsenfeder 8B in Form einer Plattenfeder, die Achsenfeder 8A in Form einer Spiral- oder Schraubenfeder oder einer Gummifederung und die Achsenfeder 8B in Form einer Belleville- oder Tellerfeder, die innerhalb des Achsengehäuses 9 angeordnet ist, vorgesehen werden. Die Fig. 7 und 8 zeigen Berechnungsergebnisse der Zickzackbewegungs-Stabilität über einer Änderung der Federkonstante im Fall eines Drehwiderstands zwischen einem Wagenkörper und einem Radgestell um die Vertikalachse, der in großem Maße verringert ist. Dabei werden die Flächengradienten der Laufradfläche abhängig von der Wagengeschwindigkeit von 140 km/h bei 1/10 Abnutzung erhalten. In der Tabelle I sind numerische Werte dargestellt, die bei der Berechnung verwendet sind.

Folglich kann der Drehwiderstand zwischen einem Wagenkörper und einem Radgestell in großem Maße herabgesetzt werden, soweit - Alpha/Omega positiv ist, woraus sich eine Zickzackbewegungs-Freiheit ergibt.

Bei einem herkömmlichen üblichen Gestell wurde bisher angenommen, dass die optimale Federkonstante einer Achsenfeder in Längsrichtung etwa bei 3000 kg/mm pro Achse liegt, während eine optimale Federkonstante einer Achsenfeder in Querrichtung etwa bei 1000 kg/mm liegt. Wenn der Drehwiderstand eines Radgestells um eine Vertikalachse in großem Maße herabgesetzt ist, ist ein sicherer Lauf erreichbar, wenn die Federkonstante einer Achsenfeder in Längsrichtung auf etwa über 250 kg/mm eingestellt ist und dessen Federkonstante in Querrichtung auf etwa 70 bis 300 kg/mm eingestellt ist.

Daraus ergibt sich, dass bei der Erfindung ein Lateral- oder Seitendruck (Querdruck) herabgesetzt ist beim Lauf eines Wagens längs einer gekrümmten Linie oder einer Kurve, wobei die Kontaktkraft oder Berührungskraft zwischen einem Radflansch und einer Schiene verringert ist, wodurch Quietschgeräusche herabgesetzt werden. Darüber hinaus führt eine Herabsetzung des Reibungskoeffizienten der seitlichen Lager zur Herabsetzung des Reibungsgeräusches in den seitlichen Lagern. Darüber hinaus kann auf die seitlichen Lager und auf Längsschemel so verzichtet werden, dass lediglich ein einfaches Fahrgestell vorzusehen ist, das mit Luft- oder Schraubenfedern wesentlich geringerer seitlicher Festigkeit oder Starrheit versehen ist, die zwischen dem Wagenkörper und dem Radgestell befestigt oder angeordnet sind.

Tabelle I

Tabelle I (Fortsetzung)

Tabelle I (Fortsetzung)

Claims (4)

1. Fahrgestell, insbesondere Eisenbahn-Fahrgestell, mit vier Rädern, bei dem weiche Federn zwischen einem Wagenkörper und einem Radgestell zur Herabsetzung des Drehwiderstands des Wagenkörpers gegenüber dem Fahrgestell angeordnet sind,

dadurch gekennzeichnet,

dass Längs- und Quer-Federkonstanten der Achsenfeder so bestimmt sind, dass gilt:

- Alpha/Omega > 0,

wobei Alpha einen die Dämpfung (oder Streuung) der Schwingung einer Zickzackbewegung darstellenden Index wiedergibt und Omega die Frequenz der Zickzackbewegung wiedergibt.

2. Fahrgestell nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Längs-Federkonstante einer Achsenfeder mindestens 250 kg/mm pro Achse und die Quer-Federkonstante etwa 70 bis 300 kg/mm pro Achse beträgt.

3. Fahrgestell, insbesondere Eisenbahn-Fahrgestell, mit vier Rädern und ohne Schemel, bei der Luftfedern mit geringer seitlicher Festigkeit oder Starrheit, die eine große Verschiebung ermöglichen, zwischen einem Wagenkörper und einem Radgestell angeordnet sind,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Längs- und die Quer-Federkonstante einer Achsenfeder so bestimmt ist, dass gilt:

- Alpha/Omega > 0, wobei Alpha ein die Dämpfung (oder Streuung) der Schwingung einer Zickzackbewegung darstellender Index ist und Omega die Frequenz der Zickzackbewegung darstellt.

4. Fahrgestell nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Längs-Federkonstante einer Achsenfeder mindestens 250 kg/mm pro Achse und die Quer-Federkonstante etwa 70 bis 300 kg/mm pro Achse beträgt.