DE441182C - Einrichtung zum Beseitigen von durch Seitenwinde entstehenden Seitenkraeften auf die Fahrzeuge von Einschienen-Schnellbahnen - Google Patents

Description

DEUTSCHES REICH

AUSGEGEBEN AM
24. FEBRUAR 1927

REICHSPATENTAMT

PATENTSCHRIFT.

- JiIi 441182-KLASSE 20 a GRUPPE

(K 89570 III20 a)

3ng. Franz Kruckenberg in Heidelberg*).

Einrichtung zum Beseitigen von durch Seitenwinde entstehenden Seitenkräften auf die Fahrzeuge von Einschienen-Schnellbahnen.

Patentiert im Deutschen Reiche vom 14. Mai 1924 ab.

Bei Einschienen-Schnellbahnen ist das seitliche Ausschwenken zwar in Kurven erwünscht, um die Resultierende aus Schwer- und Fliehkraft nicht seitlich auf die Fahrgaste wirken zu lassen; auf gerader Strecke aber ist die Erhaltung des Wagenbodens in Wagerechtlage ebenso sehr geboten, denn auf gerader Strecke können Seitenkräfte, allgemein gesagt, nur als Unterschied des Luftdruckes auf die beiden Wagenseiten, also durch Seitenwind und Seitensog, d. h. etwa Tunnelwandsog, auftreten, während die In-

*) Von dem Patentsucher ist als der Miterfinder angegeben worden:

Dipl.-Ing. Curt Siedefeld in Heidelberg.

sassen dabei lediglich der senkrecht wirkenden Schwerkraft ausgesetzt bleiben. Bei den bisherigen Fahrgeschwindigkeiten treten diese Einflüsse nicht besonders hervor, bei hohen Geschwindigkeiten sind sie indes von beachtenswerter Größe. Bisher ist nur bekannt geworden, die Einwirkung von Seitenwind auf Hängebahnen dadurch zu vermindern, daß man über den Laufkatzen einen

ίο feststehenden Schirm errichtet, auf den der Seitenwind mit einem Drehmoment zur Wirkung kommt, das dem Drehmoment seiner Wirkung auf den eigentlichen Wagenkörper entgegengesetzt ist. Wenn diese Einrichtung auch in der Lage ist, eine Schrägstellung des Wagens unter Einwirkung des Seitenwindes zu verhindern, so besitzt sie außer anderen noch den bedeutenden Nachteil, daß sie die durch den Seitenwind entstehende,- auf den Wagen und damit auf die Radkränze und Schienen wirkende Seitenkraft selbst nicht nur nicht beseitigt, sondern sogar vervielfacht.

Vorliegende Erfindung bezweckt, auch diese Seitenkraft zu vermindern bzw. ganz zu beseitigen.

Bei Seitenwind wirkt der Fahrwind nicht mehr genau entgegen der Fahrtrichtung, sondern trifft je nach Stärke und Richtung des Seitenwindes und Größe der Fahrgeschwindigkeit mehr oder weniger schräg von vorn auf das Fahrzeug und bewirkt daher nicht nur Stirnwiderstand, sondern auch einen Seitentrieb, vergleichbar dem Auftrieb an Flugzeugflächen bei schräg von unten auftreffendem Fahrwind.

Bei der vorliegenden Erfindung wird nun dieser Seitentrieb am Wagen selbst vermieden bzw. vernichtet. Dies kann auf verschiedene Weise geschehen, so z. B. dadurch, daß der eigentliche Wagenkörper mit dem Laufwerk durch eine Senkrechtachse gelenkig verbunden und in der Richtung des Fahrwindes durch Drehung gegen die Schienenrichtung eingestellt wird, oder daß eine Gestängeverbindung eine solche Verschiebung zwischen Wagenkörper und Laufwerk ermöglicht, oder dadurch, daß der eigentliche Wagenkörper mit dem Laufwerk in einer Wagerechtlängsachse gelenkig verbunden ist und in seiner Schwerkraftrichtung bleibt, während nur das Laufwerk von der Seitenkraft schräg ausgelenkt wird, oder dadurch, daß der eigentliche Wagenkörper mit Steuerflächen versehen wird, deren Strömungsflächendruck dem obenerwähnten Seitentrieb entgegenwirkt, und zwar derart, daß sowohl diese Kraft selbst als auch die aus ihr sich ergebenden Drehmomente aufgehoben oder nahezu aufgehoben werden, oder endlich auch durch geeignete Propelleranordnungen mit solcher Wirkung.

Wird der eigentliche Wagen um eine Senkrechtachse des Laufwerks drehbar angeordnet, damit man ihn abweichend von der Richtung der Schiene s (Abb. 1 und 2, Grundrisse) einstellen kann, so richtet sich die Art der zu treffenden Einrichtung nach dem Ort α am Wagen, an dem der Antrieb A angreift. Liegt dieser vor dem Widerstandsmittelpunkt w, in welchem man sich den Gesamtwiderstand des Wagens W vereinigt denken kann, so genügt es, das Fahrzeug wie einen Pfeil oder eine Windfahne mit hintenliegenden Flächen f zu versehen, um die an sich zwar vorhandene, doch kleine Stabilität zu erhöhen.

Liegt der Angriffsort α des Antriebs A hinter dem Widerstandsmittelpunkt w (Abb. 3, Grundriß), so befindet sich der drehbare Wagen der Länge nach nicht im stabilen, sondern im labilen Gleichgewicht und wird entweder durch Seitenruder c oder durch Organe, mit denen er sich an den Laufkatzen festhält, in die jeweilige Fahrwindrichtung gebracht und in derselben gehalten.

Die Organe, mit denen sich der eigentliche Wagen an den Laufkatzen festhält, können mannigfacher Natur sein. Es ist z. B. möglich, den eigentlichen Wagen nut den Laufkatzen derartig drehbar zu verbinden, daß sie in der gleichen Weise gegeneinander zwangläufig gedreht werden können wie eine Eisenbahndrehscheibe, etwa mittels Zahnkranzes um den Drehzapfen d (Abb. 4, Grundriß). Ferner können z. B. der eigentliche Wagen und die Laufkatzen als getrennte Körper durch Streben t miteinander verbunden werden, die verlängerbar und verkürzbar sind, derart, daß der eigentliche Wagen sich in die gewünschte Schräge einstellen läßt (vgl. Abb. 5, Seitenansicht; Abb. 6, Stirnansicht, und Abb. 7, Grundriß).

Bei der zweiten Ausgestaltung des Erfindungsgedankens wird nach Abb. 8 und 10 (Stirnansichten in verschiedenen Stellungen) und Abb. 9 (Seitenansicht) durch Formgebung und Gewichtsverteilung dafür gesorgt, daß der Widerstandsmittelpunkt w des Wagens im Fahrwind oberhalb des Gewichtsj Schwerpunktes g liegt. Der Wagenkörper ist mit dem Laufwerk gelenkig drehbar in der durch den Widerstandsmittelpunkt w gehenden Längsachse m-m verbunden. Bei Seitenwind oder Sog 5" wird sich nur das Laufwerk um die Schiene ί bis zur Gleichgewichtslage schräg stellen, während der Wagenkörper selbst unter Wirkung der bei g angreifenden Schwerkraft die wagerechte Fußbodenlage beibehält (Abb. 10). Dagegen legt sich aufgabegemäß auch der Wagenkörper selbst schräg, bis die Punkte s, w, g auf einer Geraden liegen, sobald als Seitenkraft nicht S, sondern Fliehkraft in Kurven auftritt, denn

diese greift gemeinsam mit der Schwerkraft in g an. Die bauliche Ausgestaltung der Gelenkverbindung zwischen Wagenkörper und Laufwerk kann natürlich abweichend von Abb. 8 bis io in mannigfacher Art geschehen, beispielsweise auch mit innenliegenden Armen an den Laufwerken (vgl. Abb. ii. Querschnitt),- die vom Wagenkörper mit Gleitoder Rollagernachen b in Kreisbogen um Punkt zv einstellbar umschlossen werden.

Wird auf die Drehbarkeit des Wagens gegen die Laufkatzen verzichtet und kommen Steuerflächen zur Anwendung, so muß ihre Größe und der Ort ihrer Anbringung so gewählt werden, daß sowohl der Kraft des Seitentriebes an sich als auch den von ihr hervorgerufenen senkrecht und wagerecht wirkenden Drehmomenten richtig begegnet werden kann. Durch eine einzige Fläche ließe sich dies vollkommen erreichen, wenn man sie so am Wagen anbringen könnte, daß ihr Auftrieb dem Orte und der Größe nach gleich dem Seitentrieb wirkt, der Richtung nach ihm entgegen. Der Ort einer solchen Fläche käme aber in den Wageninnenraum zu liegen; eine Teilung des Wagenkörpers hierfür wird im allgemeinen untunlich sein. Die Bauausführung wird daher zu mehreren Flächen greifen müssen, die sich am Wagen außen nach Größe, Antrieb usw. günstig anbringen lassen. Im allgemeinen wird man auch zum vollkommenen Ausgleich mit zwei Flächen (vgl. Abb. 12, Seitenansicht) auskommen können, von denen die eine, v, vor und oberhalb (bzw. unterhalb) w, die andere, h, hinter und unterhalb (bzw. oberhalb) w liegt, derart, daß die Resultierende beider Flächenkräfte durch w geht und natürlich wieder größengleich und richtungsentgegengesetzt dem Seitentrieb ist. Freilich wandert der Punkt w wagerecht etwas mit wachsendem λ^τeigungswinkel des Fahrwindes gegen die Fahrtrichtung. Um dieser Änderung gerecht zu werden, müßten die Strömungsdrücke der Steuerflächen ihr gegenseitiges Größenverhältnis oder auch ihren Druckpunkt oder beides etwas verändern, was sich durch Formgebung der Fläche und ungleiche Auslage beim Steuervorgang erreichen läßt. Im allgemeinen wird man sich indes damit begnügen können, daß das wagerechte Drehmoment lediglich bei sehr großen Seitenkräften völlig ausgeglichen ist, im übrigen Bereich aber ein unbedenklicher Rest bleibt. Überhaupt ist auch schon mit einer einzigen Fläche eine weitgehende Behebung der störenden Seitenkraftwirkungen erzielbar, wenn man eine solche nach den oben gegebenen Regeln zweckentsprechend anordnet, etwa nach dem gestrichelten Eintrag in Abb. 12, wobei die Senkrechtmomente völlig, die Wagerechtmomeute fast völlig ausgleichbar sind und die verbleibende Seitenkraft auf Radkränzen und Schienen nur noch weniger als die Hälfte der ursprünglichen beträgt.

Ähnliche Wirkungen wie mit Steuerflächen kann man natürlich auch mit Luftschrauben erz'ielen, am übersichtlichsten mit einem Propeller, dessen Welle um eine durch den Widerstandsmittelpunkt w gehende Senkrechtachse je nach Schräge des Fahrwindes schwenkbar ist. Die gleiche Wirkung haben auch zwei feste Propeller, die (gemäß der Aufsicht Abb. 13), schräg, zueinander gestellt sind und deren Achsrichtungen sich im Punkt w schneiden. Je nach der Richtung des Fahrwindes läßt man dann die eine Schraube mehr Schub liefern als die andere, etwa durch Verschiedenheit der Drehzahl oder auch bei Drehflügelschrauben durch verschieden eingestellte Flügelsteigung.

Betrachtet man die Regelung der aufgeführten Steuereinrichtungen, so arbeiten diejenigen nach Abb. 1 und 2 sowie Abb. 8 bis 11 an sich schon selbsttätig. Die übrigen könnten zwar durch den Führer bedient werden, sicherer und genauer aber wirken selbsttätige Regeleinrichtungen. Die Verstellkräfte (zum Schrägstellen des Wagenkörpers bei Abb. 4 bis 7 bzw. der Steuerflächen bei Abb. 12 bzw. der Propeller bei Abb. 13) werden im allgemeinen so groß sein, daß man mit Servomotor (elektrisch oder hydraulisch) arbeiten muß. Erst der Servomotor wird dann von den eigentlichen Regelapparaten gesteuert. Diese sollen aber nach dem eingangs Gesagten nur auf die Wirkungen oder Ursachen des Seitentriebs ansprechen, dagegen nicht auf die ebenfalls seitlich wirkenden Fliehkräfte in Gleiskurven.

Dieser Gesichtspunkt macht manche Regeleinrichtungen (insbesondere das Pendel) erst durch bestimmte Ausgestaltung hierfür brauchbar und läßt andere, die sonst ferner liegen würden, wie etwa die Stauverhältnismessung, gut geeignet sein.

Das Pendel erfüllt die genannte Voraussetzung erst dann, wenn erstens seine Schwingachse zusammenfällt mit derjenigen des Wagens, also im Schienenkopf liegt, was sich etwa nach Abb. 14 (Stirnansicht) verwirklichen läßt, indem man es an einem Rollgestell r von womöglich geringer Eigenreibung befestigt, dessen Kreisbogenbahn den Schienenkopf zum Mittelpunkt hat. Zweitens muß es dieselbe Schwingungsdauer haben wie der Wagen, d. h. für beide Systeme muß der

^{gleich groß sein}'^damit

beim Einsetzen der Fliehkraftwirkungen das Pendel keine Relativbewegung zum Wagen ausführt.

Nach denselben Gesetzen wäre ein Kreisel als Richtungsgeber (etwa für Einschienen-Standbahnen) zu gestalten.

Derartige Pendel bzw. Kreisel würden bei Ausschwenkung des Wagens durch Seitenwind genügend genau die Senkrichtung beibehalten und die Steuerung einschalten, bis sie bei Wiedererreichung der Fußbodenwagerechtlage wieder in die Nullage zurückgeführt ίο sind.

Überregeln kann mit bekannten Maßnahmen verhindert werden. Solche Pendelregler sind besonders geeignet für die Rudersteuerung nach Abb. 3, aber auch für die übrigen Lösungen.

Einfacher ist die Unempfindlichkeit gegen Fliehkraftwirkungen zu erreichen bei einer Windfahne als Regelapparat, welche etwa an der Fahrzeugspitze um eine senkrechte Achse drehbar angebracht ist. Bei ihr muß der Massenschwerpunkt in der Drehachse liegen, und sie muß in jeder Richtung gleiches Massenträgheitsmoment besitzen.

Praktisch massefrei und daher überhaupt unempfindlich gegen Fliehkraftwirkung arbeitet eine Regelung, welche auf Messung der Luftstauverhältnisse am Wagenvorderende beruht (Abb. 15, Teil eines Grundrisses). Die Regelung soll eingreifen, sobald der Teilungspunkt der Fahrwindströmung nicht mehr in Wagenmitte bei e₀, sondern seitlich, bei e_x liegt. Diese Verschiebung wird meßbar durch das Verhältnis der Strömungsstaudrücke ρ an zwei oder mehr symmetrisch zu e₀ liegenden Oberflächenstellen (ζ. Β P₁ und p₂) mittels Pitotröhren o. dgl. Solche Messungen des Druckverhältnisses zeigen zwar nicht die Fahrwindstärke an, sondern nur den Anströmwinkel des Fahrwindes, ebenso wie die Windfahne. Mehr ist indes zur richtigen Schrägeinstellung des Wagens nach Abb. 4 bis 7 auch nicht nötig; eine besondere Reglerrückführung erübrigt sich dabei, denn der schräg gestellte Wagen beendet den Verstell-Vorgang selbst, indem er die Windfahne bzw. den Strömungsteilpunkt in die Wagenmittelebene verlegt. Bei den Steuerflächen nach Abb. 12 und der Lösung mit Schwenkpropeller oder mit Propellern nach Abb. 13 bleibt dagegen die schräge Anströmung bestehen, j auch wenn die Steuerung den Wagen aufgäbe- ι gemäß wieder in die senkrechte Mittellage gebracht hat. Gleichwohl kann man auch hierfür die Regelung mit Windfahne oder Staudruckverhältnis ohne zusätzliche Pendel- 1 rückführung brauchbar machen, wenn man > jedem Anströmwinkel, unabhängig von der Fahrwind stärke, eine bestimmte Stellung der Steuerflächen bzw. des Schwenkpropellers bzw. ein bestimmtes Schubverhältnis der beiden Propeller nach Abb. 13 zuordnet. Der ' auf Steuerflächen mit einem der gewählten Wagenform ähnlichen Querschnitt liegende Strömungsdruck ändert sich nämlich mit der Größe der Fahrwindgeschwindigkeit nach praktisch gleichem Gesetz wie die Seitenkraftwirkung der Fahrwindströmung auf den Wagen, welche durch den Steuerflächendruck ausgeglichen werden soll. Bei den Schwenkbzw. Schrägpropellern nach Abb. 13 ist eine Reglerabhängigkeit von der Fahrwindstärke deshalb unnötig, weil die Propeller ja als Vortriebsorgane sowieso stets einen Gesamtschub liefern, welcher ebenso groß ist wie der Fahrwiderstand. — Für zwei Sonderfälle ist freilich die Einführung der Fahrwindstärkemessung in die Regeleinrichtung mittels Anströmwinkel geboten: erstens bei der Rudersteuerung nach Abb. 3, zweitens beim Wagenschrägstellen nach Abb. 4 bis 7. Das Seitenj ruder nach Abb. 3 soll auch bei schwachem Fahrwind den ganzen Wagenkörper unter Überwindung der Massenträgheit und Lagerreibung in erträglich kurzer Zeit in die Windrichtung einlenken. Dazu muß für denselben Anströmwinkel das Ruder bei schwachem Fahrwind weiter ausgelegt werden als bei starkem, was sich durch zusätzliche Windstärkenmessung (Pitotrohr bei Stauverhältnismessung bzw. Staupfeil statt einfacher Windfahne) erreichen läßt. — Nach Abb. 4 bis 7 würde bei Regelung durch Anströmwinkel mittels Windfahne oder Stauverhältnismesser der Wagen störenderweise auch schon bei ganz schwachem Querwind, z. B. beim Wagenstillstand, womöglich bis zum Größrwinkel schräg gestellt werden. Dem wird man begegnen, indem man durch zusätzliche Windstärkenmessung die Regelung erst von einer bestimmten Windstärke an arbeiten läßt, darunter aber selbsttätig gesperrt hält. — Im übrigen bietet die Einzelausbildung der Regeleinrichtungen samt Rückführung beim heutigen Stande der Reglertechnik nichts bemerkenswert Neues. Natürlich lassen sich auch die verschiedenen Regelungsarten vielseitig miteinander verknüpfen, z. B. kann die Pendeleinrichtung so lange in der Mittellage gesperrt gehalten werden, bis der Anströmwinkel (gemessen durch Windfahne usw.) einen gewissen Mindestwert überschritten hat, u. ä.

Claims (16)

1. Patentansprüche:

   i. Einrichtung zum Beseitigen von durch Seitenwinde entstehenden Seitenkräften auf die Fahrzeuge von Einschienen-Schnellbahnen, dadurch gekennzeichnet, daß der Seitenkraft durch Verstellung iao des Fahrzeugs ausgewichen oder durch unmittelbar am Wagenkörper angreifende

   oder auftretende Gegenkräfte unter Verringerung der Seitendrücke auf Schiene und Randflansch entgegengewirkt wird.
2. 2. Einrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der eigentliche Wagenkörper drehbar gegen das Laufwerk angeordnet ist, so daß er in die jeweilige Fahrwindrichtung eingestellt werden kann.
3. ίο 3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei vorn angreifendem Vortrieb die Einstellung in die Fahrwindrichtung durch hinten angebrachte Stabilisierungsflächen bewirkt wird.
4. 4. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei hinten angreifendem Vortrieb die Einstellung und Erhaltung in der Fahrwindrichtung ver-

   ao mittels Seitenruder geschieht.
5. 5. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei hinten angreifendem Vortrieb die Einstellung und Erhaltung in der Fahrwindrichtung durch Einrichtungen geschieht, welche die der Fahrwindrichtung entsprechende Schräglage des Wagens gegenüber dem Laufwerk zwangsmäßig einstellen.
6. 6. Einrichtung nach Anspruch 2 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der eigentliche Wagenkörper mit den Laufkatzen durch eine Senkrechtachse drehbar verbunden ist, so daß beide beispielsweise mittels Zahnkränzen in gleicher Weise gegeneinandergedreht werden können wie eine Eisenbahndrehscheibe.
7. 7. Einrichtung nach Anspruch 2 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der eigentliche Wagenkörper und die Laufkatzen durch Streben miteinander verbunden sind, die verlängert und verkürzt werden können, so daß der Wagen sich in die gewünschte Schräglage einstellen läßt.
8. 8. Einrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der eigentliche Wagenkörper mit dem Laufwerk in einer durch den Widerstandsmittelpunkt gehenden Längsachse gelenkig einstellbar verbunden ist, während sein Schwerpunkt tiefer als der Widerstandsmittelpunkt liegt.
9. 9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Laufwerk mit Armen versehen ist, die vom Wagenkörper mit Gleit- oder Rollagerflächen in Kreisbogen um den Widerstandsmittelpunkt einstellbar umschlossen werden.
10. 10. Einrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß dem Seitentrieb durch den Strömungsdruck von Steuerflächen mit senkrechter Drehachse entgegengewirkt wird.
11. 11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung der Steuerflächen sowohl den Seitentrieb selbst als auch seine Drehmomente in bezug auf den Wagen ganz oder annähernd aufhebt.
12. 12. Einrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Seitentrieb durch Propellerschub entgegengewirkt wird, sei es durch Schwenkpropeller oder sei es durch den Schubunterschied mehrerer fest gelagerter Luftschrauben.
13. 13. Einrichtung nach Anspruch 2, 4, 5, 6, 7, 10, 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Seitentrieb entgegenwirkenden Steuerbewegungen von Apparaten (Pendel, Kreisel, Windfahne o. dgl.) geregelt werden, welche nur auf die Wirkungen oder Ursachen des Seitentriebes ansprechen, nicht aber auf die ebenfalls seitlich wirkenden Fliehkräfte in Gleiskurven.
14. 14. Einrichtung nach Anspruch 2, 4, 5, 6, 7, 10, 11, 12 und 13, dadurch gekennzeichnet, daß Reglerorgane (Pitotröhren, Windfahnen o. dgl.), welche auf die An-Strömrichtung des Fahrwindes ansprechen, je nach dem Anströmwinkel das Fahrzeug bzw. die Steuerflächen bzw. den sich ergebenden Propellerschub in bestimmtem Winkel einstellen.
15. 15. Einrichtung nach Anspruch 4, 13 und 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Reglerorgane der Ruder nach Anspruch 4 nicht nur auf den Anströmwinkel des Fahrwindes, sondern auch auf dessen Größe ansprechen.
16. 16. Einrichtung nach Anspruch 5, 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung erst bei einer bestimmten Mindeststärke des Fahrwindes zur Arbeit freigegeben wird.

    Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.