DE3317080C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Drehgestell für Schienenfahrzeuge
gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
US-PS 35 28 374 sowie US-PS 41 36 620 offenbaren
Drehgestelle für Schienenfahrzeuge, bei denen die Diagonal-
Verstrebung zwischen den Achsen des Drehgestellts angeordnet
ist. Diese Diagonal-Verstrebung besteht bei dem erstgenannten Drehgestell
aus zwei Streben, deren Enden über eine Verbindung
mit einem Flansch des Achslagergehäuses gekoppelt sind.
Das Achslagergehäuse weist zwischen den Seitenrahmen und
der Aufhängung ein längliches Schlitzlager auf. Die Streben
verbinden somit die Achsen miteinander. Hierdurch soll eine
Bewegung einer Achse einer entgegengerichteten Bewegung der
anderen Achse begegnen.
Bei dem zweiten Drehgestell erstrecken sich die Streben
zwischen Laschen der Achslagergehäuse; die Achslagergehäuse
können sich relativ zu den Seitenrahmen bewegen. Die
Streben tragen somit nicht dazu bei, die Relativbewegungen
der Seitenrahmen zu verhindern.
Bei diesen vorbekannten Drehgestellen besteht die Gefahr,
daß eine Bewegung der einen Achse eine entsprechende
jedoch entgegengerichtete Bewegung der anderen Achse nach
sich zieht. Dies hat wiederum zur Folge, daß das Fahrzeug
übersteuert wird und ins Schlingern gerät.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Seitenrahmen
des Drehgestells nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1
mit einer vorgegebenen, kontrollierten
Steifigkeit auszustatten und gleichzeitig - und zwar
komplementär - die Steifigkeit zwischen den Achsen zu
verringern.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale von
Anspruch 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgegenstands sind
den Unteransprüchen zu entnehmen.
Bei einer Gestaltung des Drehgestells gemäß der Erfindung
kann sich somit jeweils eine Achse - unabhängig von der
anderen Achse - derart ausrichten, daß sie relativ zu der
anderen Achse nicht mehr parallel verläuft.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung soll nunmehr anhand der
Zeichnung näher erläutert und beschrieben werden. Es
zeigt
Fig. 1 eine seitliche Ansicht eines Drehgestells,
Fig. 2 die Draufsicht auf das Drehgestell von Fig. 1,
Fig. 3 eine vergrößerte Ansicht, teilweise im Schnitt,
eines Teils des in den Fig. 1 und 2 dargestellten
Drehgestells, und
Fig. 4 eine Kurvendarstellung zur Erläuterung der
Beziehung der Giersteifigkeit und der Seitensteifigkeit
eines Drehgestells.
Gemäß Fig. 1 und 2 weist das erfindungsgemäß ausgebildete Drehgestell
20 zwei Seitenrahmenteile 22 und 24 auf, welche der Lagerung
von zwei Radsätzen 26 und 28 dienen. Jeder Radsatz besitzt
dabei eine Achse 32, an welcher zwei mit Radflanken versehene
Räder 30 befestigt sind, wobei die Enden der
beiden Wellen 32 innerhalb von Lagerkästen 34 gelagert sind.
Die Lagerkästen 34 sind jeweils in Joche 36 eingesetzt,
welche an den Enden der Seitenrahmenteile 22 und 24 vorgesehen
sind, wodurch gewährleistet ist, daß die beiden Achsen
32 um horizontale Achsen relativ
zu den Seitenrahmenteilen 22 und 24 drehbar sind. Zwischen
jedem Lagerkasten 34 und dem dazugehörigen Joch 36 sind
entsprechende Elastomerkissen 37 eingesetzt, welche eine
Gewisse Abfederung der Radsätze 26 und 28 ergeben, während
gleichzeitig eine gesteuerte Beweglichkeit der Achsen
32 aus ihrer Parallellage ermöglicht wird.
Zwischen den beiden Seitenrahmenteilen 22 und 24 ist eine
Wiege 38 vorgesehen, welche durch entsprechende Ausnehmungen
40 im mittleren Teil der beiden Seitenrahmenteile
22 und 24 geführt ist. Die Enden dieser Wiege 38 stützen
sich dabei jeweils auf Federanordnungen 42 auf, um auf
diese Weise eine vertikale Verschiebbarkeit zwischen
der Wiege 38 und den Seitenrahmenteilen 22 und 24 zu gestatten.
Die Wiege 38 gelangt dabei seitlich mit Gleitflächen 44
in Berührung, welche entlang der Vertikalkanten der Ausnehmungen
40 vorgesehen sind, so daß die Wiege 38 in
Vertikalrichtung, nicht jedoch in Längsrichtung in bezug auf
die Seitenrahmenteile 22 und 24 bewegbar ist.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind zwischen den
jeweiligen Jochen 36 ein Paar von Ansätzen 48 an den Seiten
rahmenteilen 22 und 24 angeschweißt. Diese Ansätze 48 befinden
sich dabei in bezug auf die Mittelebene des Drehgestells
im gleichen Abstand voneinander und sind gegenüber
der Längsachse des Drehgestells geneigt. Zwischen
jeweils diagonal zueinander angeordneten Ansätzen 48
sind zwei Verbindungsstangen 50 vorgesehen, wobei diese
Verbindungsstangen 50 sich entlang der Mittelebene des
Drehgestells kreuzen.
Fig. 3 zeigt die Art und Weise der Verbindung der Ver
bindungsstangen 50 mit den jeweiligen Ansätzen 48. Jede
Verbindungsstange 50 weist an ihren Enden verjüngte Endbereiche
52 auf, an deren Enden ein Außengewinde 54 vorgesehen
ist. Innerhalb der Ansätze 48 sind entsprechende
Bohrungen 56 vorgesehen, deren Durchmesser größer ist als
der Durchmesser der entsprechenden verjüngten Endbereiche
52. Zwischen den verjüngten Bereichen 52 und der Innen
wandung der Bohrungen 56 sind jeweils ein Paar von
elastomeren Einsätzen 58 angeordnet, welche nach außen hin
mit je einem Flansch 60 versehen sind, wobei die betreffenden
Flansche 60 an der Außenfläche des betreffenden
Ansatzes 48 zum Anliegen gelangen. Auf die verjüngten
Endbereiche 52 sind zusätzlich Beilagscheiben 62 aufge
schoben, welche auf den Außenflächen der elastomeren
Einsätze 58 zum Aufliegen gelangen, wobei zusätzlich
Muttern 64 vorgesehen sind, welche auf den Außengewinden
54 der Verbindungsstangen 50 aufgeschraubt sind. Auf
diese Weise kann erreicht werden, daß die Flansche 60
der elastomerischen Einsätze 58 zwischen den Beilagscheiben
62 und den Außenflächen der Ansätze 48 zusammengepreßt
werden. Die Einsätze 58 ergeben somit eine elastische
Verbindung zwischen den Verbindungsstangen 50 und
den Ansätzen 48, so daß auf diese Weise eine vorgegebene
Flexibilität zwischen den Seitenrahmenteilen 22 und 24
des Drehgestells 20 erreicht wird. Die beiden Verbindungsstangen
50 sind schließlich noch an ihrem Kreuzungspunkt
mit Hilfe eines Schenkels 66 miteinander verbunden,
um auf diese Weise vertikale Schwingungen der
Verbindungsstangen 50 zu verhindern.
Während des Betriebs eines derartigen Drehgestells verhindern
die Verbindungsstangen 50 relative Längsbewegungen
zwischen den Seitenrahmenteilen 22 und 24, wobei
jedoch aufrund der vorgesehenen elastischen Verbindung
und der vorgesehenen Biegeflexibilität keine
ungewünschte Rahmensteifigkeit auftritt, welche eine
vertikale Beweglichkeit der Radsätze 26 verhindert. Die
elastomerischen Einsätze 58 sind dabei derart ausgebildet,
daß sie die gewünschte Scherflexibilität des Drehgestells
gewährleisten, um auf diese Weise eine dynamisch stabile
Konfiguration zu ergeben. Die Elastomerkissen 37 helfen
dabei mit, daß ein optimaler Wert der Rahmenflexibilität
erreicht wird, wobei jedoch diese Flexibilität vor allem
durch die Einsätze 58 gewährleistet ist.
Fig. 4 zeigt eine Kurvenschar eines Drehgestells, um auf
diese Weise die Abhängigkeit der Rahmensteifigkeit und
der kritischen Geschwindigkeit zu zeigen, wobei die
kritische Geschwindigkeit jener Geschwindigkeit entspricht,
bei welcher Instabilitäten des Drehgestells
auftreten. Der Parameter KB entspricht dabei der Festigkeit
gegenüber außerphasigen Gierversetzungen zwischen
den Wellen, wobei dies dem Widerstand gegenüber einem
Drehmoment entspricht, aufgrund welchem die beiden Radsätze
aus ihrer Parallelkonfiguration gebracht werden.
Die Steifigkeit Ks entspricht jenem Wert, welcher einer
Kraft gegenüber aufgebracht wird, die eine seitliche Versetzung
des einen Radsatzes 26 gegenüber dem anderen hervorzubringen
sucht. Die Beziehung zwischen den Werten KB
und Ks hängt dabei von den Abmessungen des Drehgestells,
der Anordnung der Verbindungsstangen 50 und der elastischen
Eigenschaften der Einsätze 58 ab. Die dargestellten
Kurven V₁, V₂ . . . V₅ zeigen die charakteristischen kritischen
Geschwindigkeiten Vn, welche bei einem Drehgestell
mit einer Giersteifigkeit KB(n) und einer Seitensteifigkeit
KS(n) auftreten. Oberhalb der betreffenden Geschwindigkeitswerte
Vn wird das jeweilige Drehgestell instabil.
Anhand der in Fig. 4 dargestellten Kurvenschar ist erkennbar,
daß eine Kurve VC MAX vorhanden ist, welche die
Sattelpunkte der charakteristischen Kurven V₄ und V₅ schneidet
und demzufolge der Maximalgeschwindigkeit entspricht,
bevor Instabilitäten des jeweiligen Drehgestells auftreten.
Durch geeignete Wahl der Werte KS und KB entlang der
Kurve VC MAX kann die kritische Geschwindigkeit des Drehgestells
auf einen Maximalwert eingestellt werden. Die
in Fig. 4 dargestellten Kurven werden durch eine Linie
begrenzt, welche den Wert Ks = 1/a² KB begrenzt,
wobei die Größe a dem halben Abstand zwischen den Radsätzen
26 und 28 entspricht. Dabei kann gezeigt werden, daß für
alle Drehgestelle, bei welchen die Radsätze nicht direkt
miteinander gekoppelt sind, folgende Ungleichung gilt:
Ks<1/a²·KB. Die Konfiguration der Verbindungsstangen
50 und die Steifigkeit der Einsätze 58 kann demzufolge
so gewählt sein, daß eine maximale kritische Geschwindigkeit
erreicht wird.
Die charakteristischen Kurven V₄ und V₅ oberhalb der Kurve
VC MAX zeigen kritische Geschwindigkeitswerte, welche
geringer sind als die von VC MAX. Ein starres Drehgestell
mit einem H-förmigen Rahmen oder festgenieteten Kreuzschienen
besitzt demzufolge eine niedrige kritische Geschwindigkeit,
wodurch Instabilitäten derartiger Drehgestelle
erklärbar sind. Auf der anderen Seite besitzen
Drehgestelle mit hoher Biegsamkeit, beispielsweise drei
teilige Drehgestelle, ebenfalls eine niedrige kritische
Geschwindigkeit. Durch Verwendung elastischer Einsätze
58 ergibt sich jedoch eine gesteuerte Flexibilität
gegenüber Scherkräften, wodurch Drehgestelle mit der
gewünschten hohen kritischen Geschwindigkeit erzielbar
sind.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde von der Anmelderin
ein Drehgestell des Typs Barber S2 durch den Einbau
entsprechender Verbindungsstangen 50 modifiziert.
Die Verbindungsstangen 50 waren dabei unter einem Winkel
von 66° gegenüber der Längsachse des Drehgestells
angeordnet und die Einsätze 58 aus einem elastomerischen
Material hergestellt, welches eine Härte von 70 Durometer
besaß. Die Einsätze 58 besaßen einen Außendurchmesser
von etwa 7,5 cm, so daß ein Materialring mit einer
Fläche von etwa 38 cm² und einer Dicke von etwa 2,5 cm
zwischen den Beilagscheiben 62 und den Ansätzen 48
vorhanden war. Die aus einem Stahl mit niedrigem Kohlen
stoffgehalt hergestellten Verbindungsstangen 50 wiesen
einen Durchmesser von etwa 5 cm und eine Länge zwischen
den Beilagscheiben 62 von etwa 205 cm auf. Nach dem
Einsetzen der Einsätze 58 zwischen den Verbindungsstangen
50 und den Ansätzen 48 ergaben dieselben eine
Steifigkeit von 4×10⁷ N/m entlang der Achsen der Ver
bindungsstangen 50. Aufgrund dieser Anordnung konnte
die Steifigkeit Ks des Drehgestells von einem Wert von
2×10⁵ auf den Wert 2×10⁶ N/m erhöht werden. Die
kritische Geschwindigkeit des betreffenden Drehgestells
konnte auf diese Weise nach Berechnungen von 51 km/h
(31 Meilen/h) auf 120 km/h (74 Meilen/h) erhöht werden
unter der Voraussetzung, daß Dämpfungseffekte aufgrund
von Reibung vernachlässigt werden.
Es erscheint einleuchtend, daß die im Rahmen der vorliegenden
Erfindung beschriebene Anordnung sehr gut geeignet
ist, an existierenden Drehgestellen nachträglich
befestigt zu werden, um auf diese Weise die kritische
Geschwindigkeit und die Kurvengängigkeit von Schienen
fahrzeugen zu verbessern. Eine derartige Maßnahme kann
durch die Befestigung entsprechender Ansätze 48 an dem
Drehgestellrahmen oder durch Verwendung vorhandener Bohrungen
innerhalb der Seitenrahmenteile des Drehgestells
erreicht werden, falls derartige Bohrungen vorhanden sind.
Durch geeignete Wahl der Eigenschaften des elastomerischen
Materials und durch entsprechende Dimensionierung
der Einsätze 58 kann fernerhin die dem Drehgestell 20
gegebene Steifigkeit entsprechend eingestellt werden.
Durch das nachträgliche Anbringen der Verbindungsstangen
50 wird im übrigen der Steifigkeitswert KB nicht stark
verändert, so daß der betreffende Wert KB die Zunahme
der kritischen Geschwindigkeit dahingehend begrenzt,
daß durch das nachträgliche Anbringen ein Wert unterhalb
des Wertes VC MAX erzielbar ist.
Es erscheint einleuchtend, daß die beim Stand der Technik
auftretenden Nachteile im Rahmen der vorliegenden Erfindung
auf eine sehr einfache Weise vermieden bzw. verringert
werden können. Während bei dem beschriebenen
Ausführungsbeispiel die Verbindungsstangen 50 unterhalb
der Wiege 38 hindurchgeführt werden, so besteht im Rahmen
der vorliegenden Erfindung ebenfalls die Möglichkeit,
daß dieselben durch entsprechende Ausnehmungen innerhalb
der Wiege hindurchgeführt sind. Diese Maßnahme ermöglicht
eine Positionierung der Verbindungsstangen 50 im
Bereich der Drehachsen der Radsätze, wodurch die Tendenz
klein gehalten wird, daß die beiden Seitenrahmenteile
um ihre Längsachsen verdreht werden. Das Vorsehen
von Elastomerkissen 37 führt ebenfalls zu einer Verbesserung
der Laufeigenschaften des jeweiligen Drehgestells.
Die Wirkung dieser Kissen 37 besteht darin, daß auf
diese Weise der Wert KB verringert werden kann, wobei
anhand von Fig. 4 erkennbar ist, daß eine derartige Redu
zierung des betreffenden Wertes KB zu einer Verringerung
der kritischen Geschwindigkeit führt. Eine entsprechende
Kurvendarstellung der charakteristischen Kurven des
Anschneidwinkels zeigt jedoch, daß eine Verringerung
des Wertes KB zu einer Verringerung des Anschnittwinkels
führt, wodurch die Kurvengängigkeit des jeweiligen
Drehgestells verbessert wird. Das Vorsehen der Verbin
dungsstangen bewirkt schließlich eine Zunahme des
Wertes Ks, ohne daß dabei der Wert KB in ungewünschter
Weise beeinflußt wird, so daß unter Aufrechterhaltung
einer verbesserten Kurvengängigkeit eine erhöhte kritische
Geschwindigkeit erzielbar ist.
Claims (9)
1. Drehgestell (20) für Schienenfahrzeuge mit
- a) einem aus einem Paar von relativ zueinander beabstandeten Seitenrahmenteilen (22 und 24) bestehenden Grundrahmen,
- b) einer quer zu den Seitenrahmenteilen (22 und 24) ange ordneten Wiege (38), die ihrerseits beweglich auf den Seitenrahmenteilen (22 und 24) aufliegt, um eine Drehbewegung des Drehgestells (20) in einer horizontalen Ebene zu ermöglichen,
- c) einem Paar von Radsätzen (26 bzw. 28), die im Bereich sich gegenüberliegender Stirnseiten der Seitenrahmenteile (22 bzw. 24) jeweils zwischen diesen angeordnet sind, wobei jeder Radsatz aus einem Paar seitlich beabstandeter Räder (30) besteht, die von einer sich zwischen den Seitenrahmenteilen erstreckenden Achse getragen sind,
- d) einer ersten elastischen Verbindung (Kissen 37), die zwischen den Achsen (32) und den Seitenrahmenteilen (22 bzw. 24) vorgesehen ist, um eine kontrollierte vertikale Bewegung der Radsätze (26 bzw. 28) aus ihrer gemeinsamen parallelen Ausrichtung zu ermöglichen, und die einen vorgegebenen Federweg aufweist, um die Giersteifigkeit des Drehgestells (20) um die lotrechte Achse zu begrenzen, und
- e) einer Verstrebung, die zwischen den Seitenrahmenteilen (22 und 24) angeordnet ist, um den Widerstand der Seitenrahmenteile dagegen zu erhöhen, daß sie relativ zueinander eine Längsbewegung ausführen, und um einer Bewegung der Seitenrahmenteile aus ihrer gemeinsamen parallelen Ausrichtung entgegenzuwirken,
dadurch gekennzeichnet, daß
- f) die Verstrebung unabhängig von der Wiege (38) in den Rahmen eingefügt ist und ein Paar von Streben (Verbindungsstange 50) umfaßt, die jeweils endseitig, und zwar wechselseitig bzw. im Kreuzverband mit einer Stirnseite eines der Seitenrahmenteile (22 bzw. 24) verbunden sind,
- g) jede Strebe (Stange 50) im gegenläufigen Sinne relativ zur Längsachse des Drehgestells (20) geneigt ist und jeweils eine zweite elastische Verbindung (Einsatz 58) mit einem vorgegebenen Federweg aufweist, wobei diese zweite elastische Verbindung (Einsatz 58) so angeordnet ist, daß sie bei einer Längsverschiebung der Seitenrahmenteile (22 und 24) relativ zueinander nachgibt, und
- h) die die Verwindungssteifigkeit des Drehgestells (20) bestimmenden, durch die erste (Kissen 37) und die zweite (Einsatz 58) elastische Verbindung definierten Federwege so gewählt sind, daß eine kontrollierte Verwindung des Drehgestells (20) gewährleistet ist.
2. Drehgestell nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Streben (Stange 50) sich mit den Seitenrahmenteilen (22 und 24)
in Längsrichtung betrachtet im Abstand kreuzen, um
einer Bewegung der Seitenrahmenteile aus ihrer
gemeinsamen parallelen Ausrichtung entgegenzuwirken.
3. Drehgestell nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die zweite elastische Verbindung (Einsatz 58) jeweils
zwischen den Endbereichen (52) der Streben (Stange 50) und
einem entsprechenden Ansatz an den Seitenrahmenteilen
(22 bzw. 24) eingefügt ist.
4. Drehgestell nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Streben (Stange 50) durch Bohrungen (56) in den
Seitenrahmenteilen (22 und 24) gesteckt sind, und
daß die zweite elastische Verbindung (Einsatz 58) zwischen
den Streben und den Seitenrahmenteilen
im Bereich der Bohrungen eingefügt ist.
5. Drehgestell nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die zweite elastische Verbindung (Einsatz 58) die
einzige Verbindung zwischen den Streben (Stange 50) und
dem Drehgestell (20) ist.
6. Drehgestell nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Giersteifigkeit KB bezüglich einer Verdrehung
der Radsätze (26 und 28) relativ zueinander
und die Verwindungssteifigkeit Ks bezüglich einer
seitlichen Versetzung der Radsätze relativ
zueinander so gewählt sind, daß eine Zunahme
mindestens einer der Steifigkeiten eine geringere
kritische Geschwindigkeit VC bedingt.
7. Drehgestell nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Streben (Stange 50) den Seitenrahmenteile (22 und 24)
gegenüber gleich geneigt sind, und sie sich auf
der Längsachse des Drehgestells kreuzen.
8. Drehgestell nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die zweite elastische Verbindung (Einsatz 58) aus
elastomeren Beilagscheiben (62) besteht, die
zwischen von den Seitenrahmenteilen (22 und 24) abstehenden
Laschen (Ansatz 48) und den Streben (Stange 50) eingefügt
sind.
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