DE3612797C1 - Drehgestell fuer ein Schienenfahrzeug - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Drehgestell für ein Schienenfahrzeug mit einem Drehgestellrahmen in Faserverbundbauweise nach dem Oberbegriff des Patent­ anspruchs 1.

Bei einem bekannten Drehgestell dieser Art (DE-PS 29 52 182), dessen Drehgestellrahmen aus einer H-förmigen, die Aufgabe der Primärfederung übernehmenden Faserver­ bundstruktur mit zwei elastisch ausgebildeten, die Rad­ satzachsen lagernden Längsträgern und einem diese mittig miteinander verbindenden, den Wagenkasten tragenden Querträger besteht, der im Betrieb sehr komplexen Biege-, Schub-, Torsions- und Normalkraftbelastungen unterworfen ist, ergibt sich die Schwierigkeit, den Querträger und vor allem dessen Eckverbindungen zu den Längsträgern in einer den Festigkeits- und Steifigkeitsforderungen entsprechenden Faserverbundbauweise zu gestalten.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei einem Drehgestell der im Oberberiff des Patentanspruchs 1 beanspruchten Art die Belastungen so über den Drehgestell­ rahmen zu verteilen, daß dieser auf fertigungstechnisch einfache Weise aus Faserverbundwerkstoff herzustellen ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das im An­ spruch 1 gekennzeichnete Drehgestell gelöst.

Bei dem erfindungsgemäß ausgebildeten Drehgestell werden der oder die Faserverbund-Querträger und die Querträger-Eckver­ bindungen von den aus der Anlenkung des Wagenkastens resultierenden Längs- und Querkraftbeanspruchungen ent­ lastet und die schubsteife Verkoppelung der Längsträger von dem plattenförmigen Mittelteil mitübernommen, und Mittelplatte und Querträger bilden zwischen den Längs­ trägern mehrere getrennte Lastübertragungspfade mit je­ weils spezifischen, von einer für Faserverbundwerkstoffe störenden Kraftüberlagerung freien Belastungen, wodurch eine hochgradig faserverbundgerechte Gestaltung des Drehgestellrahmens erzielt und die Herstellung der Fa­ serverbundstruktur mit der geforderten Festigkeit und Steifigkeit, vor allem im Querträgerbereich einschließ­ lich der Querträger-Eckverbindungen, ganz erheblich er­ leichtert wird.

Da aufgrund der erfindungsgemäßen Gestaltung des Drehge­ stellrahmens auch das mittlere Plattenteil unter Last hochgradig faserverbundgerechten Belastungen ausgesetzt ist, wird es in besonders bevorzugter Ausgestaltung ge­ mäß Anspruch 2 ebenfalls aus Faserverbundwerkstoff her­ gestellt. In diesem Fall besteht das Plattenteil im Hinblick auf eine fertigungstechnisch einfache Ausbil­ dung mit der erforderlichen Biegesteifigkeit gemäß An­ spruch 3 zweckmäßigerweise aus mehreren Faserverbund­ schichten mit zwischen den Schichten eingelegten Ver­ stärkungsrippen, und eine weitere fertigungstechnische Vereinfachung wird dadurch erreicht, daß gemäß Anspruch 4 als Verstärkungsrippen vorgehärtete Faserverbundrohre vorgesehen und diese gemäß Anspruch 5 als Wickelkörper hergestellt sind.

Eine für die Längs- und Querkraftaufnahme besonders günstige Anordnung der Verstärkungsrippen des Platten­ teils ist in den Ansprüchen 6 und 7 gekennzeichnet, wo­ bei die verstärkungsrippenfreie Ausbildung der seit­ lichen Plattenteil-Endabschnitte gemäß Anspruch 7 im Hin­ blick auf die erforderliche Torsionselastizität des Plattenteils von besonderem Vorteil ist.

In weiterer, besonders bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung enthält das Plattenteil gemäß Anspruch 8 eine zentrale, eine Drehzapfenanordnung des Wagenkastens auf­ nehmende Aussparung und am unteren Ende der Drehzapfen­ anordnung ist ein die zentrale Aussparung übergreifender Anschlag befestigt, wodurch auf einfache Weise zum einen eine Notführung der wagenkastenseitigen Drehzapfen­ anordnung in Plattenmitte für den Fall eines Bruchs der zwischen Drehzapfenanordnung und Mittelplatte zur Längs­ kraftübertragung vorgesehenen Lenker und zum anderen eine beim Anheben des Wagenkastens wirksame Drehgestell­ anhebevorrichtung geschaffen wird.

Die an der Mittelplatte angreifenden Biegemomente werden gemäß Anspruch 9 vorzugsweise dadurch reduziert, daß zu­ mindest eine Lasteinleitungsstelle mehrteilig mit einem auf der Plattenteiloberseite und einem auf der Plattenteilunter­ seite angeordneten Lasteinleitungselement ausgebildet ist, so daß die zwischen Wagenkasten und Lasteinleitungs­ elementen übertragenen Längs- bzw. Querkräfte in der Mittelplatte entgegengesetzt gerichtete, einander zu­ mindest teilweise aufhebende Biegemomente hervorrufen. So wird insbesondere die Lasteinleitungsstelle für die Querabstützung des Wagenkastens gemäß Anspruch 10 vorzugsweise zweiteilig ausgebildet, wobei an das je­ weilige Lasteinleitungselement auf der Plattenteilunterseite ein mit dem Wagenkasten verbundener Querdämpfer ange­ lenkt ist, während das Lasteinleitungselement auf der Plattenteiloberseite einen die Querauslenkung des Wagen­ kastens federnd aufnehmenden Puffer trägt.

Schließlich ist der Drehgestellrahmen in besonders bevorzugter Weise gemäß den Ansprüchen 11 und 12 als Doppel-H-Rahmen ausgebildet, wodurch eine sehr flache Bauweise des Drehgestellrahmens und eine einfache Unter­ bringung der Mittelplatte ermöglicht und aufgrund der Querträger-Verdoppelung eine weitere Entlastung jedes einzelnen Querträgers und seiner zugeordneten Eckver­ bindungen erreicht wird. Durch die radnahe Anordnung der Querträger können ferner auch die Radbremsvorrich­ tungen auf belastungsgünstige Weise unmittelbar am vorderen bzw. hinteren Querträger befestigt sein.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nunmehr anhand der Zeichnungen näher er­ läutert. Es zeigt in schematischer Darstellung

Fig. 1 die Aufsicht eines Schienenfahrzeug-Drehge­ stells;

Fig. 2 einen Teilschnitt längs der Linie II-II der Fig. 1;

Fig. 3 die Aufsicht der Faserverbund-Mittelplatte des Drehgestellrahmens; und

Fig. 4 einen Teilschnitt längs der Linie IV-IV der Fig. 3.

Das in den Fig. 1 und 2 gezeigte Drehgestell enthält einen Doppel-H-Drehgestellrahmen 2 in Form einer Faser­ verbundstruktur, die außer den Trag- und Führungsauf­ gaben auch die Aufgabe der Primärfederung übernimmt, mit zwei Längsträgern 4, die ein definiertes, sich in Längsrichtung änderndes Elastizitätsverhalten senkrecht zur Drehgestellebene, also zur Zeichenebene der Fig. 1 aufweisen und an deren relativ elastisch ausgebildeten Endabschnitten der vordere und der hintere Radsatz 6 bzw. 8 des Drehgestells gelagert ist. Die Längsträger 4 sind miteinander durch zwei symmetrisch zur Drehgestellmitte voneinander beabstandete, radnah angeordnete, jeweils über Eckverbindungen 10 integral seitlich mit den Längs­ trägern 4 verbundene Querträger 12 verkoppelt, die je­ weils aus einem relativ torsionselastischen, jedoch biege- und in Drehgestellebene schubsteifen Faserverbund- Wickelkörper bestehen. An den Querträgern 12 sind mit Bremsscheiben 14 der Radsätze 6 und 8 zusammen­ wirkende Scheibenbremsvorrichtungen 16 befestigt.

Der Faserverbund-Rahmen 2 enthält ferner ein zwischen den Querträgern 12 angeordnetes, als Rahmenversteifungs­ element ausgebildetes mittleres Plattenteil 18, das über sehr steife Metallbeschläge 20 seitlich an die Längs­ träger 4 angeschlossen ist und diese querträgerunab­ hängig schubsteif miteinander verkoppelt. Das Platten­ teil 18, das ebenfalls aus Faserverbundwerkstoff be­ steht und demgemäß eine hohe Korrosionsfestigkeit und gute Schalldämpfungseigenschaften besitzt, dient zur Übertragung der aus der Wagenkastenanlenkung resultie­ renden Längs- und Querkräfte zwischen einer Wagenkasten- Drehzapfenanordnung 22 und den Längsträgern 4 des Dreh­ gestellrahmens 2.

Die Drehzapfenanordnung 22 enthält einen zentralen, an der Unterseite des Wagenkastens 24 befestigten Dreh­ zapfen 26, der über ein Elastomerlager 28 begrenzt dreh­ beweglich in einem Querhaupt 30 gelagert ist, welches mit zwei, beidseitig des Drehzapfens 26 angeordneten Längslenkern 32 gelenkig verbunden ist, die jeweils an eine lagerbockartige, am mittleren Plattenteil 18 be­ festigte Lasteinleitungsstelle 34 schwenkbar angeschlos­ sen sind. Auf diese Weise werden die aus der Wagen­ kastenanlenkung resultierenden, in Drehgestellebene wirkenden Längskräfte über den Drehzapfen 26, das Elastomerlager 28, das Querhaupt 30 und die Längslenker 32 an die Lasteinleitungsstellen 34 übertragen und vom mittleren Plattenteil 18 aufgenommen.

Die Querabstützung des Wagenkastens bezüglich des Dreh­ gestells erfolgt über zweiteilige, ebenfalls am mittle­ ren Plattenteil 18 befestigte Lasteinleitungsstellen 36, die jeweils aus einem an der Plattenoberseite befestig­ ten Lasteinleitungselement 38 mit einem die Querauslen­ kungen des Querhauptes 30 federnd aufnehmenden Puffer 40, sowie aus einem an der Plattenunterseite angeord­ neten Lasteinleitungselement 42 bestehen, welches über einen Querdämpfer 44 (Fig. 2) mit dem unteren, eine zentrale Aussparung 46 des mittleren Plattenteils 18 durchgreifenden Endabschnitt 48 der Drehzapfenanord­ nung 22 verbunden ist. Die aus der Wagenkastenanlenkung resultierenden, in Drehgestellebene wirksamen Querkräfte werden somit einerseits über das Querhaupt 30, die Puf­ fer 40 und die Lasteinleitungselemente 38 und anderer­ seits über die Querdämpfer 44 und die Lasteinleitungs­ elemente 42 in Form entgegengesetzt gerichteter, sich an der jeweiligen Lasteinleitungsstelle 36 zumindest teilweise aufhebender Biegemomente in das mittlere Plattenteil 18 eingeleitet.

Der Drehzapfen-Endabschnitt 48 bildet zusammen mit der Aussparung 46 des mittleren Plattenteils 18 eine Not­ führung für den Fall, daß die Längs- oder Querabstützung des Wagenkastens 24 am Drehgestell ausfällt, z. B. bei einem Bruch der Längslenker 32, und ist ferner an seinem unteren Ende mit einer die Aussparung 46 über­ greifenden Erweiterung 50 versehen, durch die sicher­ gestellt wird, daß beim Anheben des Wagenkastens 24 das gesamte Drehgestell über die dann an der Unter­ seite des mittleren Plattenteils 18 anschlagende Er­ weiterung 50 mitangehoben wird.

Die Abstützung des Wagenkastens am Drehgestell senk­ recht zur Drehgestellebene erfolgt über zwischen Wagen­ kasten 24 und Längsträgern 4 angeordnete Luftfedern 52 und (nicht gezeigte) Vertikaldämpfer.

Das mittlere Plattenteil 18 , das den gesamten Innenraum des doppel-H-förmigen Faserverbund-Rahmens 2 ausfüllt und dessen Schubsteifigkeit in Drehgestellebene gewähr­ leistet, ist gemäß den Fig. 3 und 4 als aus zwei Faserverbundschichten 54 und 56 bestehende Faserverbundplatte mit vielfach unterschiedlicher Faser­ orientierung ausgebildet, d. h. ihre Verstärkungsfasern verlaufen - wie durch die Kreuzschraffur in Fig. 3 ange­ deutet - z. B. unter 0°, 90° und ± 45°; sie besitzt dem­ gemäß eine quasiisotrope Faserorientierung, also in allen Richtungen etwa gleiche Festigkeits- und Steifigkeitseigenschaften in der horizontalen Plat­ ten- und somit in der Drehgestellebene.

Da die Längs- und Querkraftabstützung des Wagenkastens 24 über die Lasteinleitungsstellen 34 und 36 nicht in der Plat­ tenebene erfolgt und daher das horizontale, mittlere Plattenteil 18 biegemomentbelastet ist, ist es durch Längs- und Querrippen 58 bzw. 60 verstärkt. Die auf der Plat­ tenoberseite liegenden Längsrippen 58 verlaufen parallel zueinander durchgehend vom vorderen zum hinteren Platten­ rand seitlich neben der zentralen Aussparung 46 und in unmittelbarer Nähe der jeweiligen Befestigungsbohrungen 62 für die Längskraft-Lasteinleitungsstellen 34, während die in Fig. 3 gestrichelten, auf der Plattenunterseite liegenden, ebenfalls parallel zueinander unmittelbar neben der zentralen Aussparung 46 verlaufenden Quer­ rippen 60 sich nur über den mittleren Plattenbereich erstrecken und an den Längsrippen 58 und den jeweiligen Befestigungsbohrungen 64 für die Querkraft-Lasteinleitungs­ stellen 36 enden, so daß die seitlichen, über die Be­ festigungsbohrungen 66 für die Metallbeschläge 20 an die Längsträger 4 angeschlossenen Endabschnitte 68 der Faserverbundplatte 18 verstärkungsrippenfrei ausge­ bildet sind und daher die Platte 18 eine ausreichend hohe Torsionselastizität für ein Verwinden des Drehge­ stellrahmens um die Querachse besitzt.

Wie Fig. 4 zeigt, werden die Verstärkungsrippen 58 und 60 durch eine hutprofilartige Ausbildung der oberen bzw. unteren Faserverbundschicht 54 bzw. 56 gebildet, wobei ins Innere dieser hutprofilartigen Versteifungen ein Faser­ verbundrohr 70 aus Carbonfasern eingesetzt ist, die wegen der erforderlichen Biege- und Torsionssteifigkeit je zur Hälfte aus unidirektional in Rippenlängsrichtung verlaufenden Kohlefasern und aus zur Rippenlängsrichtung unter ± 45° verlaufenden Kohlefasern auf einen ein Vier­ kant-Hohlprofil 72 umschließenden Schaumstoffkern 74 ge­ wickelt sind. Zur Herstellung der Faserverbundplatte 18 werden zunächst die Faserverbundrohre 70 gewickelt und ausgehärtet und dann die Faserverbundschichten 54 und 56 vorkonfektioniert und um die Faserverbundrohre 70 gelegt und anschließend unter Einschluß der Rohre 70 in einer Preßform ausgehärtet, woraufhin die Platte 18 mechanisch bearbeitet und verbohrt wird.

Claims (12)

1. Drehgestell für ein Schienenfahrzeug, bei dem der Dreh­ gestellrahmen zwei über Querträger miteinander verbunde­ ne, an ihren Enden die Radsatzachsen lagernde Längsträger aus einer die Aufgabe der Primärfederung zumindest teil­ weise übernehmenden, im Bereich der Längsträger elastisch, im Querträgerbereich relativ starr ausgebildeten Faser­ verbundstruktur aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsträger (4) querträgerunabhängig durch ein als Rahmenversteifungselement in Drehgestellebene ausgebil­ detes, torsionselastisches mittleres Plattenteil (18) schubsteif miteinander verkoppelt sind und das Plattenteil mit Lasteinleitungsstellen (34 und 36) für die Längs- und Querabstützung des Wagenkastens (24) versehen und zur Längs- und Querkraftübertragung zwischen den Lasteinleitungsstellen (34 und 36) und den Längsträgern (4) biegefest ausgebildet ist.

2. Drehgestell nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Plattenteil (18) aus Faserverbundwerkstoff besteht.

3. Drehgestell nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Plattenteil (18) aus mehreren Faserverbundschichten (54 und 56) mit zwischen die Schichten eingelegten Ver­ stärkungsrippen (58, 60 und Rohr 70) besteht.

4. Drehgestell nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Verstärkungsrippen vorgehärtete Faser­ verbundrohre (70) vorgesehen sind.

5. Drehgestell nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserverbundrohre (70) als Wickelkörper hergestellt sind.

6. Drehgestell nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Verstärkungsrippen für das Plattenteil (18) Längs- und Querrippen (58 bzw. 60) vorgesehen sind.

7. Drehgestell nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsrippen (58) parallel zueinander durchgehend vom vorderen zum hinteren Plattenrand verlaufen, wäh­ rend sich die Querrippen (60) durchgehend nur über den mittleren Plattenbereich erstrecken und die seitlichen an die Längsträger (4) angeschlossenen Plattenteil-Endab­ schnitte (68) verstärkungsrippenfrei ausgebildet sind.

8. Drehgestell nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Plattenteil (18) eine zentrale, eine Drehzapfenan­ ordnung (22) des Wagenkastens (24) aufnehmende Aussparung (46) aufweist und die Drehzapfenanordnung an ihrem unteren, die Aussparung durchgreifenden Endabschnitt (48) mit einer beim Anheben des Wagenkastens (24) an der Plattenunterseite anschlagenden und dadurch das Drehgestell mitanhebenden Erweiterung (50) versehen ist.

9. Drehgestell nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine Lasteinleitungsstelle (36) mehrteilig mit einem Lasteinleitungselement (38) auf der Plattenteil­ ober- und einem weiteren Lasteinleitungselement (42) gegenüberliegend auf der Plattenteilunterseite ausgebildet ist.

10. Drehgestell nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Lasteinleitungsstelle (36) für die Querabstützung des Wagenkastens (24) zweiteilig ausgebildet ist und an das jeweilige Lasteinleitungselement (42) auf der Plattenunterseite ein mit dem Wagenkasten (24) ver­ bundener Querdämpfer (44) angelenkt ist, während das jeweilige Lasteinleitungselement (38) auf der Plattenteil­ oberseite mit einem das Querspiel des Wagenkastens (24) federnd begrenzenden Puffer (40) versehen ist.

11. Drehgestell nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehgestellrahmen (2) einen vorderen und einen hinteren Querträger (12) aufweist und das Plattenteil (18) horizontal zwischen den beiden Querträgern ange­ ordnet ist.

12. Drehgestell nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Querträger (12) jeweils radnah zum vorderen und zum hinteren Radsatz (6 bzw. 8) angeordnet und die Radbremsvorrichtungen (16) an den Querträgern ange­ bracht sind.