DE4207405A1 - Achslenker fuer drehgestelle von schienenfahrzeugen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Achslenker, auch Radsatz­ lenker genannt, für Drehgestelle von Schienenfahrzeugen ent­ sprechend dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Derartige Achslenker sind hohen dynamischen Beanspruchungen in vertikaler und horizontaler, hierbei in Längs- und Querrich­ tung zum Lenker, unterworfen. Neben der Aufgabe der Achsführung in Längs- und Querrichtung mit vergleichsweise hoher Steifigkeit, müssen sie in vertikaler Richtung dem Federweg der Achsen mit möglichst hoher Flexibilität folgen.

Traditionell werden derartige blattfederartige Achslenker aus Federstahl hergestellt. Parallel dazu sind seit Jahren Achslenker aus Faserverbundwerkstoff (glasfaserverstärktes Polyesterharz) im Einsatz, wobei sich der Faserverbundwerkstoff als solcher sehr gut bewährt hat (Kahl, S.; Menzel, K.-H.; Elsner, K.-H: "Drehgestell- Baureihe GP 200, Erfahrungen und Serieneinführung" Schienen­ fahrzeuge 3/1986, S. 125-128/1/). Diese Faserverbundwerkstoff­ achslenker werden allgemein im Handauflege- und/oder Preßverfahren oder im Injektionsverfahren (12. Tagung "Verstärkte Plaste" 1988, Berlin; Schreiber, Jürgen: Injektionsverfahren für hochbean­ spruchte, dynamisch belastete Bauteile am Beispiel von Achslenkern aus GF-UP /2/) gefertigt. Neben diesen verfahrenstechnischen Variationen steht entwicklungsseitig die (gezielte) Beeinflussung der Elastizitäten in Verbindung mit einer hohen Belastbarkeit im Vordergrund.

Die seit Jahren eingesetzten und auch in /2/ beschriebenen Faserverbundachslenker als auch der in DE-OS 38 35 033 geschil­ derte Lenker bestehen im wesentlichen aus einem durchgängig geraden Grundkörper konstanter Dicke mit zusätzlichen Aufdickungen im Bereich der Einspannungen zur besseren Krafteinleitung. Diese konstruktive Ausführungsform führt bei vertikaler Auslenkung zu hohen Biegespannungen (und Randfaserdehnungen) in den ein­ spannungsnahen Achslenkerzonen, die häufig versagensauslösend sind. Um dieses Problem zu mindern und um eine höhere vertikale Flexibilität zu erreichen, wird in EP-PS 04 09 123 ein Achs­ lenkeraufbau bestehend aus zwei parallel übereinanderliegenden dünnen Faserverbundgrundkörpern konstanter Dicke vorgeschlagen. Diese über die gesamte Länge dünnen Grundkörper besitzen jedoch eine verminderte Verformungsstabilität bei insbes. Längsdruck­ beanspruchung als Nachteil.

Die bisher angeführten Lösungen verfügen zudem über eine hohe und im Prinzip nicht variierbare Längssteifigkeit, deren Variation bzw. Verringerung jedoch unter bestimmten Einsatzbedingungen von Interesse sein kann. Hierfür werden in DD-WP 98 069 eine oder mehrere Kröpfungen in Achslenkermitte bei Beibehaltung der sonstigen Abmessungen vorgeschlagen. Derartige Kröpfungen sind jedoch beim vorliegenden Beanspruchungsfall für Faserverbund­ strukturen ungünstig und führen zu einer Verminderung der Belastbarkeit bzw. Lebensdauer.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, einen federblattartigen Achslenker zu schaffen, der bei Übertragung der hohen anliegenden Belastungen gleichzeitig den Anforderungen an eine große vertikale Flexibilität bei variierbarer Längselastizität genügt.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß bei einem blattfederartigen Achslenker aus Faserverbundwerkstoff, der beidseitig (am Achslagergehäuse und Drehgestell- bzw. Fahrzeug­ rahmen) eingespannt ist, die Querschnittsbereiche des Grundkörpers in der Nähe der Einspannungen dickenreduziert sind im Verhältnis zum Querschnitt des Mittelbereiches und somit annähernd die Funktion von sog. Filmscharnieren übernehmen. Diese dicken­ reduzierten Querschnittsbereiche bewirken eine hohe vertikale Flexibilität des Achslenkers bei vermindertem Biegespannungs- bzw. Randfaserdehnungsniveau in diesen Bereichen.

Zur Mitte zu gehen diese dickenreduzierten, (im Vergleich zur Gesamtlänge) kurzen Querschnittsbereiche gleitend in einen über die gesamte Länge im Radius H stetig bogenförmig gekrümmten Mittelbereich über, der zusammen mit den dickenreduzierten Querschnittsbereichen (Scharnierbereichen) in seiner längen­ elastischen Wirkung einem (gestreckten) Omegabogen gleicht. Der erfindungsgemäße Achslenker wird in dieser Ausführungsform deshalb als Omega-Achslenker bezeichnet.

Durch Wahl des Krümmungsradius H kann die Längselastizität des Achslenkers bei Bedarf gezielt beeinflußt werden. Bei einem Krümmungsradius R→∞ geht der bislang bogenförmig gekrümmte Achslenker in einen Achslenker mit geradem Mittelbereich und beidseitig davon dickenreduzierten Querschnittsbereichen über. Damit wird als Grenzfall aus dem erfindungsgemäßen Omega- Achslenker ein ebenfalls erfindungsgemäßer Doppelscharnier- Achslenker. Dieser besitzt dann bei hoher vertikaler Flexibilität eine vergleichsweise geringe Längselastizität bzw. eine hohe Längssteifigkeit.

Zur Erhöhung der Belastbarkeit in Längsrichtung bei insbesondere (stark) bogenförmig gekrümmten Mittelbereich, wird der Dicken­ verlauf des Mittelbereiches vorteilhafterweise von beiden Seiten zur Mitte hin parabolisch zunehmend ausgeführt und so dem inneren Beanspruchungsverlauf angepaßt.

Der parabolische Dickenverlauf des Mittelbereiches des Achslen­ kers kann dabei mit einem hyperbolischen Breitenverlauf dieses Abschnittes kombiniert werden. Diese Ausführung ggf. konstanter Querschnittsfläche ist u. U. technologisch vorteilhaft bei Verwendung unidirektionaler Rovingverstärkung realisierbar und bietet zudem die Möglichkeit der zusätzlichen Beeinflussung der horizontalen Querelastizität des Achslenkers.

Der Dicken- bzw. Breitenverlauf kann den bekannten Herstellungs­ möglichkeiten von Faserverbundwerkstoffen entsprechend durch variierten Harzmatrix- bzw. Faservolumenanteil, durch Variation des Breite/Dicke-Verhältnisses bei konstantem Materialquerschnitt oder/und durch das Einbringen zusätzlicher Verstärkungsfaserlagen angepaßt werden.

Als Verstärkungsmaterial eignen sich dabei vorzugsweise Glas­ fasern, angeordnet in unidirektionaler Form (d. h. in einer Richtung orientiert) oder/und Glasgewebe- oder -gewirkelagen, die wenn zusätzlich, dann bevorzugt in der biegeneutralen Mittelzone des Grundkörpers angeordnet sind. Dabei können diese Gewebelagen durchgängig und/oder nur im Mittelbereich, hierbei vorzugsweise längenabgestuft, angeordnet sein. Als Matrix­ materialien kommen duroplastische Laminierharze, wie Epoxid- oder Vinylesterharze, oder auch Thermoplaste in Betracht. Jeweils nach außen gehen die dickenreduzierten Scharnierbereiche bei Beibehaltung der Dicke oder mit Aufdickungen versehen, dann vorzugsweise durch Einlegen oder Auflaminieren zusätzlicher Gewebelagen, in die Einspannbereiche über, in denen eine hier nicht näher ausgeführte Krafteinleitung auf form- und/oder kraftschlüssige Art in den Faserverbundwerkstoff-Grundkörper erfolgt.

Der erfindungsgemäße Achslenker verbindet gegenüber bisher bekannten Lösungen den Vorteil einer hohen Flexibilität in vertikaler Richtung bei vermindertem Beanspruchungsniveau in den kritischen hochverformten Bereichen mit einer gezielt beeinflußbaren Längselastizität (und ggf. auch Querelastizität) bei hoher Beanspruchbarkeit des Achslenkers insgesamt mitein­ ander. Der Grundkörper des erfindungsgemäßen Achslenkers besteht dabei nur aus einem Stück und ist günstig nach bekannten Faserverbundfertigungsverfahren, wie z. B. dem Strangzieh- /Preßverfahren, herstellbar.

Das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt einen beidseitig eingespannten blattfederartigen Achslenker, der erfindungsgemäß als Omega-Achslenker mit dickenreduzierten Querschnittsbereichen 2 nahe der Einspannbereiche 4 und bogenförmig im Radius H gekrümmten Mittelbereich 3 mit parabolischen Dickenverlauf ausgeführt ist. Der Grundkörper 1 des Achslenkers besteht aus glasfaserverstärktem Epoxidharz mit im wesentlichen unidirektional angeordneter Rovingverstärkung. Der parabolische Dickenverlauf wird durch Einlage weniger, längenabgestufter Glasgewebelagen in die neutrale Zone des Mittelbereiches 3 erreicht.

Fig. 2 zeigt die Ausführungsform des ebenfalls erfindungsgemäßen Doppelscharnier-Achslenkers. Im Ausführungsbeispiel besitzt dabei der Mittelbereich 3 eine konstante Dicke, beidseitig flankiert von den dickenreduzierten Querschnittsbereichen 2.

Die Herstellung derartiger Faserverbundwerkstoff-Achslenker erfolgt nach bekannten technologischen Verfahren. Art und Aus­ führung der Einspannungen sind in Fig. 1 und Fig. 2 nicht näher dargestellt.

Claims (8)

1. Achslenker für Drehgestelle von Schienenfahrzeugen, deren Achsen längs- und querelastisch durch Federblattachslenker geführt werden, von blattfederartiger Form bestehend aus einem Grundkörper (1) aus Faserverbundwerkstoff, an beiden Enden am Fahrzeug- bzw. Drehgestellrahmen und am Achslager­ gehäuse eingespannt, einfach oder mehrfach angeordnet, gekennzeichnet dadurch, daß im Vergleich zur Gesamtlänge kurze Querschnittsbereiche (2) des Grundkörpers (1) beidseitig nahe der Einspannbereiche (4) im Verhältnis zum Querschnitt des Mittelbereiches (3) dickenreduziert ausgeführt sind.

2. Achslenker nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der gesamte Mittelbereich (3) des Achslenkers ausgehend von den dickenreduzierten Querschnittsbereichen (2) bogenförmig ge­ krümmt ist.

3. Achslenker mindestens nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Mittelbereich (3) einen parabolischen Dickenverlauf mit dem Dickenmaximum in der Achslenkerlängsmitte aufweist.

4. Achslenker mindestens nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Mittelbereich (3) einen hyperbolischen Breitenverlauf mit dem Breitenminimum in der Achslenkerlängsmitte aufweist.

5. Achslenker mindestens nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Querschnitts- und Dickenverläufe über die Länge des Grundkörpers (1) durch Variation des Faservolumenanteils, durch Variation des Breite/Dicke-Verhältnisses bei konstantem Mate­ rialquerschnitt oder/und durch zusätzlich eingebrachte Verstär­ kungsfasern erreicht werden.

6. Achslenker mindestens nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Querschnitts- und Dickenverläufe über die Länge des Grundkörpers (1) durch unidirektionale Verstärkungsfaserorien­ tierung oder durch eine Kombination von unidirektionaler und orthotroper Verstärkungsfaserorientierung, dann vorzugsweise diese in der neutralen Querschnittsmittelzone angeordnet, erreicht werden.

7. Achslenker mindestens nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die auf die dickenreduzierten Bereiche (2) jeweils nach außen folgenden Einspannbereiche (4) im Verhältnis zu (2) annähernd gleich dick oder aufgedickt sind.

8. Achslenker mindestens nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Einspannbereiche (4) des Grundkörpers (1) form- und/ oder kraftschlüssig verspannt sind.