DE3317080C2

DE3317080C2 -

Info

Publication number: DE3317080C2
Application number: DE3317080A
Authority: DE
Inventors: Roy E. Kingston Ontario Ca Smith
Original assignee: UTDC Inc
Current assignee: Standard Research and Design Corp
Priority date: 1982-05-11
Filing date: 1983-05-10
Publication date: 1991-11-07
Also published as: IT1159398B; KR930003068B1; FR2526741B1; CS276582B6; HUT38279A; IT8367517A0; HUT39668A; GB2123773B; AU1436883A; SG68787G; PL241956A1; KR840004894A; DE3317080A1; FR2526741A1; HU200299B; SU1577689A3; JPS592966A; GB8312746D0; SE465420B; SE8302698D0

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 K_B 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 K_s 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 K_B und K_s 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 V_n, welche bei einem Drehgestell mit einer Giersteifigkeit K_B(n) und einer Seitensteifigkeit K_S(n) auftreten. Oberhalb der betreffenden Geschwindigkeitswerte V_n wird das jeweilige Drehgestell instabil.

Anhand der in Fig. 4 dargestellten Kurvenschar ist erkennbar, daß eine Kurve V_{C 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 K_S und K_B entlang der Kurve V_{C 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 K_s = 1/a² K_B 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: K_s<1/a²·K_B. 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 V_{C MAX} zeigen kritische Geschwindigkeitswerte, welche geringer sind als die von V_{C 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 K_s 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 K_B nicht stark verändert, so daß der betreffende Wert K_B die Zunahme der kritischen Geschwindigkeit dahingehend begrenzt, daß durch das nachträgliche Anbringen ein Wert unterhalb des Wertes V_{C 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 K_B verringert werden kann, wobei anhand von Fig. 4 erkennbar ist, daß eine derartige Redu zierung des betreffenden Wertes K_B zu einer Verringerung der kritischen Geschwindigkeit führt. Eine entsprechende Kurvendarstellung der charakteristischen Kurven des Anschneidwinkels zeigt jedoch, daß eine Verringerung des Wertes K_B 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 K_s, ohne daß dabei der Wert K_B in ungewünschter Weise beeinflußt wird, so daß unter Aufrechterhaltung einer verbesserten Kurvengängigkeit eine erhöhte kritische Geschwindigkeit erzielbar ist.

Claims

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 K_B bezüglich einer Verdrehung der Radsätze (26 und 28) relativ zueinander und die Verwindungssteifigkeit K_s bezüglich einer seitlichen Versetzung der Radsätze relativ zueinander so gewählt sind, daß eine Zunahme mindestens einer der Steifigkeiten eine geringere kritische Geschwindigkeit V_C 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.