DE4142028C2 - Laufwerk für Schienenfahrzeuge - Google Patents

Description

Die Erfindung befaßt sich mit einem Laufwerk für Schienenfahrzeuge mit einem auf mindestens zwei mit radial einstellbaren Radsätzen abgestützten ein- oder mehrteiligen Drehgestellrahmen, mit außengelagerten Radsatzachsen, wobei zwischen den Radsatzachsen keine zusätzlichen Lager angeordnet sind.

Radsätze von Schienenfahrzeugen besitzen im allgemeinen Laufflächen, die im wesentlichen konisch profiliert sind, so daß bei Querauslenkung aus der Mittellage der Berührpunkt des einen Rades auf größerem Radradius, der des anderen Rades auf kleinerem Radradius rollt, so daß sich die Radsätze beim Lauf in der Geraden ständig zur Gleismitte hin zentrieren und beim Lauf in Gleisbögen auf unterschiedlichen Radradien rollen, die im günstigsten Fall dem Unterschied der Lauflängen auf bogeninnerem und bogenäußerem Gleis entsprechen, wobei sich die Radsatzachse zum Bogenmittelpunkt ausrichtet und der Radsatz führungskräftefrei rollt, was mit Radialstellung des Radsatzes bezeichnet wird.

Wenn mindestens zwei Radsätze in einem Laufwerk angeordnet sind, wird bei starrer Radsatzführung die Radialstellung verhindert, was Quer- und Längsschlupf in den Radaufstandspunkten bewirkt und hohe Führungskräfte im Gleisbogen zur Folge hat. Geringere Führungskräfte und eine gewisse Annäherung an die Radialstellung wird durch längsweiche Radsatzführung erreicht. Hierbei werden im wesentlichen die Längsschlupfkräfte in den Radaufstandspunkten genutzt. Durch diese werden Stellungsänderungen der Radsätze gegen die Federkraft der Längsführungen bewirkt, bis Gleichgewicht erreicht ist. Weitere Verbesserungen der Radialstellung erfolgen über Radialsteuerungen.

Ein Laufwerk mit profilierten Radsätzen stellt ein selbsterregbares Schwingungssystem dar, das durch eine Anzahl charakteristischer Schwingformen gekennzeichnet ist, von denen jede in einem bestimmten Maße gedämpft ist, wobei das Dämpfungsmaß generell von der Fahrzeuggeschwindigkeit abhängt. Die für ein Laufwerk wichtigsten Schwingformen sind der Sinuslauf der Radsätze im Gleis, bei dem die Radsätze wellenförmige Bewegung im Spurkanal, das heißt Querbewegungen und Wendebewegungen um die Hochachse, ausführen.

Infolge der Reibkräfte in den Berührpunkten zwischen Rad und Schiene und infolge der Massenkräfte treten Führungskräfte im Gleis auf, die bei abnehmender Dämpfung der maßgeblichen Schwingformen, das ist im allgemeinen bei zunehmender Fahrgeschwindigkeit, vorwiegend durch zunehmende Amplituden der Radsatzquerbewegung anwachsen und bei Erreichen der zulässigen Führungskräfte die Fahrgeschwindigkeit begrenzen, was auch mit Erreichen der Laufstabilitätsgrenze bezeichnet wird. Eine Abnahme der Längssteifigkeit der Radsatzführung, die der Verbesserung der Radialstellung dient, bewirkt im allgemeinen eine Verringerung der Dämpfung der maßgeblichen Schwingformen, also eine Verringerung der Laufstabilität, die die Führungskräfte erhöht und die zulässige Fahrgeschwindigkeit einengt.

Die Anwendung von zusätzlichen Koppelelementen zwischen den Radsätzen, die die Steuerwirkung insbesondere auf den verlaufenden Radsatz verbessern und/oder die Laufstabilität verbessern, stößt auf Schwierigkeiten, wenn zwischen den Rädern auf der Radsatzwelle keine zusätzlichen Lagerstellen für Antriebs-, Brems- oder Koppelelemente vorhanden sind, über welche die Koppelkräfte auf den Radsatz übertragen werden können. Das ist beispielsweise bei Hohlwellenantrieben der Fall, aber auch bei Besetzung der Radsatzwelle mit Wellenbremsscheiben. Auf die Radsätze wirkende Koppelkräfte können dann nur an den Außenlagern angreifen. Damit werden die Übertragungswege verlängert, was besonders zu Lasten der Steifigkeit der Übertragung der Koppelkräfte geht, womit die Laufstabilität beeinträchtigt und zusätzlicher Bauraum im Bereich zwischen den Radsätzen beansprucht wird.

Ein Beispiel für eine ungünstige Raumbeanspruchung, insbesondere für Antriebe und für fehlende Integration der Bauteile ist die DE 26 59 797 A1, aus welcher ein Fahrgestell für ein Schienenfahrzeug mit einem lasttragenden Oberbau bekannt ist. Es ist mit zwei selbstlenkenden Radsätzen mit frei einstellbaren Achsen und mit an jedem Ende der Radsätze angeordneten Achslagern versehen sowie mit einer ein federndes Auflager für den lasttragenden Oberbau auf den Achslagern bildenden Vorrichtung. Die Achslager sind hierbei jeweils auf derselben Seite der Längsachse des Fahrgestells mittels Dämpfungselementen miteinander verbunden, die an jedem Achslager angelenkt und so ausgebildet sind, daß sie bei einwirkung konstanter Kräfte ihre Lage unter Aufbringung von Widerstandskräften verändern und schnelle Kraftänderungen zwischen den Lagern übertragen, so daß durch die von diesen Kräften gegen den Dämpfungswiderstand verursachte Längenänderung Energie verbraucht wird.

Ein Laufwerk der eingangs genannten Art, das als Beispiel für die Verschlechterung der radialen Einstellbarkeit durch die Drehsteifigkeit der Koppelelemente angesehen werden kann, ist aus der DE 32 23 989 C2 bekannt. Es weist mindestens zwei Radsätze auf, deren Radsatzlager über eine mit diesen steif verbundene Kopplungseinrichtung miteinander verbunden sind, welche in bestimmten Bereichen flexibel sind, wobei die Radsatzlager über eine Primärfederung in Längs- und/oder Querrichtung gegen einen lasttragenden Drehgestellrahmen abgefedert sind. Dabei ist die Koppelungseinrichtung als ein in sich zusammenhängendes Bauteil ausgebildet, welches durch seine Formgebung und/oder seine Materialeigenschaften innere Federungs- und/oder Dämpfungseigenschaften aufweist. Für die Federung und Dämpfung sind keine zusätzlichen Elemente erforderlich, wobei die Primärfederung als Verbindungsglied zwischen den Radsätzen und dem lasttragenden Drehgestellrahmen beziehungsweise einem Wagenkasten in Längs- und/oder in Querrichtung eine bestimmte Federkonstante besitzt.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, ein Laufwerk mit außengelagerten Radsätzen ohne zusätzliche Lagerstellen zwischen den Rädern zu schaffen, das bei Bogenfahrt eine möglichst günstige radiale Einstellung der Radsätze, bei hoher Fahrgeschwindigkeit möglichst hohe Laufstabilität und eine Bauraum und Bauaufwand sparende sowie steife Anordnung mit erforderlichen Führungselementen oder -rahmen besitzt und den Bauraum für Antriebs- oder Bremselemente und sonstige notwendige Bauteile frei läßt.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Dementsprechend ist vorgesehen, daß

• a) zur Übertragung von Steuerkräften zwischen den Radsätzen Führungsrahmen oder Führungselemente vorgesehen sind, daß
• b) zwischen den den Radsätzen zugeordneten Führungsrahmen oder Führungselementen Dämpfer angeordnet sind, daß
• c) zwischen zwei Radsätzen jeweils die querliegenden Teile der Führungsrahmen oder der Führungselemente ineinander integriert sind, so daß der Platzbedarf entsprechend verringert ist und daß
• d) die in Längsrichtung wirkenden Dämpfer in die Führungsrahmen oder in die Führungselemente integriert sind und so die Relativbewegung der Radsätze zueinander dämpfen.

Die Anordnung von Führungselementen oder -rahmen gestattet die Verbesserung der Radsatzstellungen im Bogen, wobei für die einzelnen Radsätze eines Laufwerkes je nach Art der Anforderung unterschiedliche Annäherung an die radiale Einstellung gewählt werden kann.

Die Anordnung von längsliegenden, zwischen den Radsatzlagern einer Laufwerksseite wirkenden Dämpfungselementen trägt zur Stabilisierung des Laufes, insbesondere in der Geraden und in Bögen mit großem Radius bei, ohne die gewünschte Radsatzstellung im Bogen zu beeinträchtigen (ausgenommen bei Reibungsdämpfern).

Die Integration der querliegenden Teilstücke der Führungselemente oder -rahmen und der längsliegenden Dämpfungselemente erlaubt die steife Gestaltung und die räumliche Unterbringung auch bei starker Bauraumbelegung durch Antriebs-, Brems- und sonstige notwendigen Bauteile.

Die schubsteife Querkopplung der Führungsrahmen und die durch Dämpfungselemente dient der Anpassung an unterschiedliche Anforderungen sowie der Stabilisierung des Laufes, wobei die Integration der Querdämpfer die räumliche Unterbringung begünstigt.

In den Unteransprüchen 9 bis 13 sind weitere stabilitätssteigende Maßnahmen angegeben, und in Anspruch 14 eine untere Grenze für die Wirksamkeit der Führungsrahmen.

Im folgenden werden charakteristische und vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Laufwerk, z. B. einem zweiachsigen Drehgestell, sind mit 1 die Radsätze bezeichnet, die über Radsatzlager 3 mit dem Drehgestellrahmen 2 in geeigneter Weise über die elastische Längsführung 4 und Querführungen 5 verbunden sind. Als Verbindungselemente, die Steuerkräfte zwischen den Radsätzen 1 übertragen, dienen Führungsrahmen 21 und 22, die in der Horizontalebene biege- und schubsteif ausgebildet und in Punkten 24 bzw. 24' mit den Radsatzlagern 3 verbunden sind. Die querliegenden Mittelteile der Führungsrahmen 21 und 22 sind ineinander integriert und beanspruchen somit bei hoher Steifigkeit nur minimalen Bauraum im Bereich der Laufwerksmitte. Längsliegende Dämpferelemente 11 und 11' sind in die Führungsrahmen 21, 22 integriert, wirken über die Führungsrahmenteile zwischen den Radsatzlagern einer Laufwerksseite ohne Kraftwirkung auf den Drehgestellrahmen 2 und dämpfen die Relativbewegung, insbesondere die Drehbewegung zwischen den Radsätzen 1. Für Anlenkpunkte 12 und 12' finden sowohl Gelenklager als auch Silentblocs und Sphäriblocs mit entsprechender Steifigkeit Anwendung. Die Führungsrahmen 21 und 22 sind mit einem Zapfen 23 verbunden, der die Kräfte zwischen den Rahmen überträgt. Der Zapfen 23 wird zur Zugkraftübertragung auf die Radsätze 1 herangezogen, wenn die Längsführung 4 davon entlastet werden soll, wobei eine Querkraftübertragung auf Laufwerks- oder Fahrzeugrahmen vermieden wird. Als Beispiel hierfür ist eine Führung 25 angedeutet. Die Bauraumbeanspruchung ist beispielhaft angedeutet in den Fig. 1 bis 3.

In Fig. 1 und Fig. 2 sind am Radsatz 1 Bremsscheiben 32 bzw. 32' angeordnet. Am Radsatz 1' ist ein Motor 31 mit Hohlwellenantrieb 34 und auf der (nicht näher bezeichneten) Hohlwelle sind dort angeordnete Bremsscheiben 33 und 33' dargestellt.

Das in Fig. 2 dargestellte Laufwerk besitzt anstelle der Führungsrahmenarme Gestänge 43 und 43' bzw. 45 und 45' zur Verbindung des integrierten Mittelteiles 53, 54 bzw. 54' mit den Radsatzlagern, die die Längsführung 4 von der Zugkraftübertragung entlasten.

In Fig. 3 ist ein entsprechendes Laufwerk dargestellt, bei dem der mittlere Radsatz 1" über den Führungsrahmen 44 der Kraftübertragung zwischen den Radsätzen dient, wobei die querliegenden Rahmenteile mit den entsprechenden Teilen der Endradsätze integriert sind. Die längsliegenden Dämpferelemente 11 sind oben im Bild nur zwischen den Endradsätzen wirkend gezeigt, die unten im Bild gezeigten Dämpferelemente 11" wirken auch auf bzw. über den Mittelradsatz.

In Fig. 4 besteht der integrierte Mittelteil, der hier mit 51, 52 bezeichneten Führungsrahmen aus einem Hohlprofil und U-Profilen, an den Rahmenarme 51 und 52 anschließen.

Fig. 5 zeigt einen integrierten Mittelteil in einer Ausführungsform mit I- und U-Profilen 63, 64 bzw. 64' und Kopplung in Querrichtung durch integrierte Dämpfungselemente 13 bzw. 13'.

Fig. 6 zeigt das gleiche integrierte Mittelteil 53, 54 bzw. 54' wie Fig. 4, jedoch mit Kopplung in Querrichtung durch außenliegende Dämpfungselemente 13 bzw. 13'.

Claims (15)

1. Laufwerk für ein Schienenfahrzeug mit einem ein- oder mehrteiligen Drehgestellrahmen (2), der auf mindestens zwei mit Führungsschienen (21 und 22) zur radialen Einstellbarkeit versehenen Radsätzen (1) angeordnet ist, deren Radsatzwellen außenliegende Radsatzlager (3) aufweisen und keine zusätzlichen Lager zwischen den Rädern aufweisen, mit einer Anordnung von Führungselementen (Führung 4 bzw. 5) oder Führungsrahmen (21, 22, 44, 51, 52) zur Übertragung von Steuerkräften zwischen den Radsätzen (1, 1', 1"), mit einer Anordnung von längsliegenden, zwischen den Radsatzlagern (3) einer Laufwerkseite wirkenden Dämpferelementen (11 bzw. 11'), die in die Führungsrahmen (21, 22) integriert sind zur Dämpfung der Relativbewegung zwischen den Radsätzen (1, 1', 1") und mit minimaler Beanspruchung des vorhandenen Bauvolumens durch quer angeordnete Teilstücke der Führungselemente oder Führungsrahmen (21, 22, 44, 51, 52), die ineinander integriert sind.

2. Laufwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß querliegende Teilstücke der Führungselemente oder -rahmen (21, 22, 44, 51, 52) in Querrichtung schubsteif miteinander gekoppelt sind.

3. Laufwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß querliegende Teilstücke der Führungselemente oder -rahmen (21, 22, 44, 51, 52) in Querrichtung durch Dämpfungselemente (11, 11') miteinander gekoppelt sind.

4. Laufwerk nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß querliegende Dämpfer (11, 11') in die querliegenden Teilstücke der Führungselemente oder -rahmen (21, 2, 44, 51, 52) integriert sind.

5. Laufwerke nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfer (11, 11') als hydraulische Dämpfer ausgebildet sind.

6. Laufwerke nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfer (11, 11') als Reibungsdämpfer ausgebildet sind.

7. Laufwerke nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Dämpfungsglieder gesteuerte Hydraulikzylinder bzw. schaltbare Dämpfer angeordnet sind.

8. Laufwerke nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Dämpfungsglied elektrische Stellglieder angeordnet sind.

9. Laufwerke nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfer als hydraulische Dämpfer ausgebildet sind und Kennlinien aufweisen, die im unteren Bereich der Kolbengeschwindigkeit steilen Kraftanstieg und bei zunehmender Kolbengeschwindigkeit konstante oder weniger ansteigende oder abfallende Kraftverläufe besitzen.

10. Laufwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich Drehdämpfer zwischen Drehgestell und Fahrzeugkasten angeordnet sind.

11. Laufwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich Querdämpfer zwischen Drehgestell und Fahrzeugkasten angeordnet sind.

12. Laufwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß Vertikaldämpfer zwischen Radsatzlagern (3) und Laufwerksrahmen unter Winkeln von 20 bis 70° gegenüber der vertikalen geneigt angeordnet sind.

13. Laufwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungselemente mit verschleißfreien, in Kraftrichtung steifen Gelenken ausgerüstet sind.

14. Laufwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsrahmen (21, 22) auf dem Übertragungsweg von den Radsatzlagern (3) zum Verbindungsgelenk/Querdämpferanlenkpunkt eine Steifigkeit von mindestens 1 × 10⁶ N/m aufweisen.

15. Laufwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß in die Führungsrahmen (21, 22) Elemente (23) zur Übertragung der Zugkraft vom Radsatz (1) zum Drehgestellrahmen (2) oder Wagenkasten integriert sind.