DE4142028C2 - Laufwerk für Schienenfahrzeuge - Google Patents
Laufwerk für SchienenfahrzeugeInfo
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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.
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