-
Die
Erfindung betrifft das primäre
Untergestell eines Schienenfahrzeugs sowie die Vorrichtungen zur
Einstellung und Positionierung der montierten Achsen in Bezug auf
den Rahmen des Drehgestells.
-
BISHERIGER STAND DER TECHNIK
-
Das
Untergestell eines Schienenfahrzeugs wird am Drehgestell angebracht
und umfasst zwei Teile, ein primäres
und ein sekundäres,
von denen das primäre
Untergestell zwischen den Achsen und dem Rahmen des Drehgestells
befestigt wird. Das primäre
Untergestell umfasst zwei Teilarten:
- – die vertikalen
Federn und Dämpfer
für die gleichmässige Verteilung
der vertikalen Last unter den Rädern
desselben Drehgestells;
- – eine
Führungsvorrichtung,
die in der horizontalen Ebene (X, Y) wirkt, welche von der Längsrichtung
(X) und Querrichtung (Y) in Bezug auf die Fahrtrichtung des Fahrzeugs
begildet wird, und neben der Sicherung der Verbindung zwischen dem
Drehgestell und den Radsätzen
die Aufgabe hat, die Radsätze
auf dem Gleis zu führen,
die Zug- und Bremskraft zu übertragen
und den Lauf des Fahrzeugs zu stabilisieren.
-
Um
die Laufruhe des Schienenfahrzeugs bei Hochgeschwindigkeit zu gewährleisten,
ist es zweckmässig,
eine Führungsvorrichtung
bzw. ein Gelenk mit hohen Längs-
und Quersteifigkeitswerten in Laufrichtung vorzusehen, um so mehr,
je höher
die Laufgeschwindigkeit ist. Andererseits ist während der Kurvenfahrt des Fahrzeugs
eine Führungsvorrichtung
mit geringem Steifigkeitswert notwendig, insbesondere mit geringem
Längssteifigkeitswert,
damit die Radsätze
Bewegungsfreiheit haben, um sich korrekt ausrichten und eine radiale
Stellung einnehmen zu können.
Diese besseren Merkmale bezüglich
der Längs-
und Quersteifigkeit der bekannten Führungs-vorrichtungen werden
durch gemeinsamen Einsatz von Elastomer- und Metallelementen erzielt. Die
in einer oder gleichzeitig in mehreren Richtungen geforderten Steifigkeitswerte
werden in Abhängigkeit von
der geometrischen Form der Vorrichtung und der Verteilung der Elastomer-
und Metallteile in der Vorrichtung erhalten. Die Steifigkeitswerte
werden normalerweise in Übereinstimmung
mit dem Design des Drehgestells vorgegeben, womit anzunehmen ist, dass
das Verhalten in der Kurve bei Gewährleistung einer guten Laufruhe
nicht optimal ist und umgekehrt.
-
Von
einer Vorrichtung für
die Führung
der Radsätze
eines Schienenfahrzeugs muss eine veränderliche Längssteifigkeit gefordert werden,
die ihren optimalen Wert unter jeder Laufbedingung und in Abhängigkeit
von der Erregungsfrequenz, welcher sie ausgesetzt ist, erreichen
kann: bei Bewegungen geringer Frequenz, die dann auftreten, wenn
die Achse dazu neigt, eine zur Kurve radiale Stellung einzunehmen,
muss die Führung
einem geringen Steifigkeitsfaktor entsprechen; bei von Hochfrequenz
Bewegungen, wie sie in der Achse auftreten, wenn Hochgeschwindigkeiten
gefahren werden, muss die Führung
einen hohen Steifigkeitsfaktor aufweisen. Die so bestimmten veränderlichen
Steifigkeitsmerkmale der bekannten Vorrichtungen sind jedoch fast unabhängig von
der Frequenz der Erregungen, welchen das Drehgestell ausgesetzt
ist. Es sind Anwendungen bekannt, bei denen die Führung der
Achsen mit bei Steifigkeitswerten funktioniert, und zwar einem geringen
ohne Anregung und einem hohen mit Anregung, wobei letzterer dann
erhalten wird, wenn das Fahrzeug mit Geschwindigkeiten fährt, die über einem
vorbestimmten Schwellenwert liegen. Ein Beispiel dieser Führungsart
wird in der Veröffentlichung EP-A-360783
beschrieben.
-
Um
eine Führungsvorrichtung
zu erhalten, deren Längssteifigkeit
sowohl auf die Geschwindigkeit des Fahrzeugs, als auch auf die Erregungsfrequenz
anspricht, ist der Einsatz von Gelenken bekannt, die als zylinderförmige Buchsen
ausgebildet sind und zwei innere Kammern aus Elastomer aufweisen,
die mit einer Hydraulikflüssigkeit
gefüllt
sind. Ein Beispiel dieser Gelenkart mit veränderlicher Steifigkeit zeigt
die EP-A-360783, wobei dieses Gelenk jedoch in vertikaler Stellung
im Innern der vertikalen Feder des primären Untergestells der montierten Achse
verbunden wird. Obgleich dieses bekannte Gelenk eine veränderliche
Steifigkeit besitzt, kann es die Schwingungen in Längs- und
Querrichtung auf Grund der Verbindung mit der vertikalen Feder nicht allein
abdämpfen,
und muss aus diesem Grund mit einer zusätzlichen Buchse montiert werden,
welche mit einer Gleitfläche
für die
Entkopplung der Bewegungen der vertikalen Federung ausgestattet
ist. Die Verwendung einer Verbindung mit Gleitflächen an den Gelenken der Federung
führt jedoch
zu Spielen, welche die Laufruhe bei hoher Geschwindigkeit beeinträchtigen
oder ein Festfressen der Teile bewirkt, wodurch diese die Buchse
des Gelenks beschädigen.
Das in dem genannten Dokument beschriebene Gelenk entspricht einem "passiven" Steuerungs-gelenk
mit veränderlicher
Steifigkeit, dämpft
die Schwingungen jedoch nicht wirksam ab, da sein Betrieb vom Zustand
der Gleitflächen
abhängig
ist. Die Flüssigkeits-kammern
sind ausserdem verschlossen und werden nicht von aussen mit Flüssigkeit
versorgt.
-
Während der
Kurvenfahrt des Fahrzeugs ist ein "aktives" Steuerungsgelenk für die Ausrichtung der Ratsätze bis
zu einer radialen Stellung notwendig, das heisst, dass jeder Radsatz
senkrecht zur jeweiligen Tangente des Bogens der Kurve liegen muss.
Ein Beispiel eines Gelenks für
ein "aktives" Steuerungssystem
ist im Dokument EP-A-870664 gezeigt; es besitzt eine zylinderförmige Buchse,
die in horizontaler Anordnung zwischen dem Achslagergehäuse und
dem Rahmen des Drehgestells angeschlossen wird. Das bekannte Gelenk
wird in Form einer Buchse ausgebildet, die mit einer zentralen Anschlusswelle
und zwei inneren, mit einer Flüssigkeit gefüllten Kammern
ausgestattet ist, die jeweils über eine
externe individuelle Leitung verfügen, welche – je nach
den Witterungsverhältnissen – für ihre Versorgung
und für
die Entnahme der Flüssigkeit
von einem äusseren
Verteilventil her dienen. Das genannte "aktive" Gelenk wirkt als Antrieb oder Hydraulikzylinder
des Steuerungssystems für
die Führung
oder Selbsteinstellung der Radsätze
des Drehgestells in Kurven.
-
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
-
Aufgabe
dieser Erfindung ist es, eine Vorrichtung für die Führung des Drehgestells eines
Schienenfahrzeugs zur Verfügung
zu stellen, welche ein elastisches gelenk für die passive Steuerung und
die aktive Steuerung des Untergestells des Drehgestells umfasst,
und in horizontaler Anordnung zwischen dem Achslagergehäuse und
dem Rahmen des Drehgestells verbunden ist, nach in Anspruch 1 definiert ist.
-
Ein
Vorteil der erfindungsmässigen
Führungsvorrichtung
besteht darin, dass sie in der Abdämpfung des Drehgestells die
Wirkungen eines Hydraulikzylinders und die einer elastischen Feder
vereint. Das primäre
Untergestell eines auf dem vorgeschlagenen Gelenk beruhenden Drehgestells
bewirkt ein optimales Verhalten des Fahrzeugs während der Kurvenfahrt und bei
Fahrten auf geraden Strecken.
-
Das
Antriebsgelenk umfasst eine zylinderförmige Buchse aus Metall, die
mit dem Achslager-gehäuse
und einer Gelenkwelle verbunden ist, die durch die mit dem Rahmen
des Drehgestells verbundene Fluidbuchse ragt. Die Buchse besitzt
zwei dichte Hohlräume,
die zwei mit der Hydraulikflüssigkeit gefüllte Kammern
bilden und symmetrisch auf beiden Seiten der Gelenkwelle in Längsrichtung
der Fahrt angeordnet sind. Somit wird die Achse zusammen mit dem
Rahmen des Drehgestells in der diametralen Richtung der Fluidbuchse,
also in Längsrichtung
der Fahrt verschoben. Diese beiden mit der Flüssigkeit gefüllten Hohlräume des
Gelenks sind über
eine enge interne Leitung miteinander verbunden, in welcher der
Durchfluss der Flüssigkeit
von einer Kammer zur anderen dynamisch von der Erregungsfrequenz
abhängig
ist.
-
Das
elastisch-hydraulische Gelenk wurde so entwickelt, dass es ohne
untereinander gleitbare Elemente, also ohne Reibelemente am gelenkigen
Lagergehäuse
der Achse montiert werden kann, womit Spiele in der Laufruhe des
Fahrzeugs und die Gefahr eines Festfressens vermieden werden, das
zu einem Bruch des Gelenks führen
würde.
-
Das
Antriebsgelenk reagiert auf die Geschwindigkeit des Fahrzeugs und
auf die Frequenz der Bewegungen bzw. der Erregung des Drehgestells
und passt die Werte der Längssteifigkeit
der Laufbedingung des Fahrzeugs auf gerader Strecke bei Hochgeschwindigkeit
oder fast statischer Geschwindigkeit in der Kurve an; auf Grund
seiner gegenüber
dem Drehgestell horizontalen Anordnung ist es von seiner vertikalen
Bewegung entkoppelt und wirkt nur in den beiden Richtungen der horizontalen Ebene
(X, Y), womit zusätzlich
eine kombinierte Wirkung von Steifigkeit und Abdämpfung der Schwingungen in
Längsrichtung
gegeben ist.
-
Das
Antriebsgelenk bewirkt eine Achsenführung mit einem mit Zunahme
der Erregungs-frequenz ansteigenden Steifigkeits faktor. Das heisst,
das Antriebsgelenk verhält
sich mit einem höheren
Steifigkeitsfaktor bei hohen Erregungsfrequenzen und zeigt einen
sehr geringen Steifigkeitsfaktor für Bewegungen geringer Frequenz.
Dank der Gestaltung der Wände
aus vulkanisiertem Elastomer über
der Gelenkachse und der Abmessungen der Verbindungsleitung zwischen
den Hohlräumen
wird der Übergang der
Flüssigkeit
von einem Holhraum zum anderen durch die Verformung der Wände, die
proportional zur Längsbelastung
des Gelenks ist, sowie durch den Durchmesser und die Länge der
Verbindungsleitung gesteuert. Mit Zunahme der Belastungsfrequenz nimmt
der Durchfluss der Flüssigkeit
von einer Kammer zur anderen ab und die elastischen Wände der Hohlräume bieten
der Verformung einen höheren
Widerstand, womit sich der Steifigkeitsfaktor des Gelenks erhöht. Bei
hochfrequenten Bewegungen neigen die Fluidhohlräume dazu, die am Rahmen des Drehgestells
befestigte Gelenkachse unbeweglich zu halten, womit der Vorrichtung
eine hohe Längssteifigkeit
verliehen wird.
-
Gleichzeitig
kann das Antriebsgelenk oder Gelenk als elastisches Element des
aktiven Führungssystems
des Drehgestells verwendet werden. Das Gelenk verleiht der Achsenführung Längssteifigkeit
und lässt
eine gesteuerte Längsverschiebung der
Gelenkachse in Bezug auf die am Achslagergehäuse befestigte Buchse zu. Diese
Wirkung wird dadurch erzielt, dass die Flüssigkeit der beiden Kammern
des Gelenks zweckmässigerweise
von aussen her eingefüllt/entleert
wird. Für
die Funktion als Antrieb wird das Füllen/Entleeren der Hohlräume durch ein
Verteilerventil für
das äussere
Fluid über
einzelne Leitungen der Hohlräume
als Reaktion auf eine Führungseinheit
der Radsätze
gesteuert.
-
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
1 zeigt
einen Schnitt eines Antriebsgelenks der erfindungsmässigen Führungs-vorrichtung.
-
2 entspricht
einem Schnitt des Gelenks in 1 gemäss der Linie
II – II.
-
3 zeigt
das Gelenk gemäss 2 in
dynamischem Arbeitszustand. Die Gelenkachse ist der Aussenbuchse
gegenüber
verschoben, womit das Volumen der einen Kammer verringert und das
der anderen Kammer erweitert wird.
-
Die 4 und 5 entsprechen
verschiedenen Ansichten, welche den Anschluss eines Fahrzeugs des
Gelenks gem. 1 an ein Drehgestell zeigen.
-
6 stellt
schematisch die mit einem Gelenk gem. 1 ausgestattete
Führungsvorrichtung an
einem Drehgestellt mit zwei montierten Achsen dar.
-
7 ist
eine schematische Darstellung der in 6 gezeigten
Führungsvorrichtung,
bei der die beiden montierten Achsen in einer Kurve eine Drehbewegung
ausführen.
-
BESCHREIBUNG EINER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNG
DER ERFINDUNG
-
Unter
Bezugnahme auf die 1 – 7 umfasst
eine Ausführung
der Vorrichtung für
die Führung
der Radsätze
eines Schienenfahrzeugs eine Mehrzahl von elastisch.-hydraulischen
Antriebsgelenken 1, deren Struktur in den 1 – 3 gezeigt wird,
welche jeweils in horizontaler Anordnung zwischen dem Rahmen 8 des
Drehgestells und dem gelenkigen Achslagergehäuse 9 angeschlossen
werden (4 – 7).
-
Unter
Bezugnahme auf die 1 – 5 umfasst
die Struktur eines Führungsgelenks 1 eine zylinderförmige Buchse 1a mit
einem Metallgehäuse 16,
das an einem Achslager-gehäuse 9 befestigt wird,
sowie eine Gelenkwelle 2, die mit einer Verankerung in
Form einer Gabel 8 des Drehgestellrahmens verbunden ist
(5). Die Welle 2 erstreckt sich durch
eine weite Öffnung 1b an
jedem Ende der Buchse, die eine aussermittige Verschiebung "x" der Gelenkwelle 2 zu der einen
oder anderen Wand 16 der Buchse 1a zulässt, wenn
sie den Bewegungen bezüglich
des Rahmens 8 in Längsrichtung
X gegenüber
den montierten Achsen 12 und auch in Querrichtung Y folgt.
Für die
vertikale Federung Z wird am Drehgestell eine Feder 17 montiert
(4), die vertikal an jedem Achslagergehäuse 9 angeordnet
und von der Führungsvorrichtung
entkoppelt ist.
-
Im
Innern der Buchse 1a sind zwei mit Flüssigkeit gefüllte Hohlräume 5, 6 ausgebildet,
die zwei Kammern bilden, jeweils eine auf jeder Seite der Welle 2 in
diametraler Richtung X der Buchse 1a , welche über eine
innere Leitung 4 miteinander verbunden sind, durch welche
die Hydraulikflüssigkeit
von einer Kammer zur anderen fliessen kann. Die Hohlräume 5, 6 wurden
eingebettet in einen Elastomerkörper 3 geformt
und mit mittleren, vulkanisierten Wänden 5a, 6a um
die Welle 2 herum und in Berührung mit dieser ausgebildet.
Die Hohlräume 5, 6 verformen
sich in Richtung X (3) und verschieben die Welle 2 in Bezug
auf das Gehäuse 16 der
Buchse. Die verhältnis-mässige Verschiebung "x" zwischen der Welle 2 und der
Buchse 1a wirkt sich bei geringer Erregungsfrequenz in
beachtlicher Weise auf die Bewegungen des Drehgestells 8 aus,
wodurch es zu einer effektiven Übertragung
der Flüssigkeit
von einem Hohlraum 5 in den anderen Hohlraum 6,
oder umgekehrt, kommt, je nach dem Vorzeichen der Verschiebung "x" des Radsatzes 12. Wenn diese
Hohlräume 5, 6 vollkommen
mit Flüssigkeit
gefüllt
sind, verleiht der gesteuerte Durchfluss der Flüssigkeit von einem Hohlraum 5, 6 in
den anderen über
eine schmale geeichte Leitung 4 dem Antriebsgelenk 1 eine
dämpfende
Wirkung, die in Verbindung mit der durch die verformbaren Elastomer-wände 5a, 6a hervorgerufenen – dazu führt, dass
das Antriebsgelenk einen geeigneten Längssteifigkeitsfaktor erhält, bei
dem es sich bei von Hochfrequenz Bewegungen um einen hohen und bei
fast statischen Bewegungen oder Bewegungen tiefer Frequenz um einen
geringen Steifigkeitsfaktor handelt.
-
Im
Ausführungsbeispiel
des Antriebsgelenks 1, bei welchem die Welle 2 einen
Durchmesser von 60–120
mm hat, ist die interne Leitung 4 eine Bohrung mit einem
Durchmesser "Dp" zwischen 0,5 und 6
mm ist, die in der Welle 2 in Abhängigkeit von der vom Gelenk 1 in
der horizontalen Ebene X,Y bezweckten Federung ausgeführt wird.
Die Länge
der gebohrten Leitung 4 "Lp" entspricht
del Durchmesser der Welle 2. Während der Vulkanisierung des
Elastomerkörpers 3 werden
die Wände 5a, 6a die
Hohlräume
ausgearbeitet, die jeweils eine Öffnung 18, 19 für den Anschluss
an die einzelnen Enden der Leitung 4 auf aufweisen. Eine
derartige interne Leitung 4 für die Verbindung der Hohlräume untereinander
ist vorteilhafter als sonstige Arten von äusseren Schlauch-verbindungen
oder steifen Rohren in der Gelenkbuchsen denn sie sind keinen Stössen, Verformungen oder
Reibungen infolge externer Einflüsse
ausgesetzt und erfordern auch keine Anschlüsse an Stutzen, welche zu Zerbrechlichkeit
und Flüssigkeitsverlusten
führen,
was andererseits die Zuverlässigkeit beeinträchtigt.
-
In
den 6 und 7 wird eine Führungsvorrichtung 1, 8, 9, 10, 12 mit
vier gleichen Antriebsgelenken 1 gezeigt, die als ein Zylinder-Gelenk 10 für die Selbsteinstellung
der Achsen 12 des Drehgestells in zur Kurve radialer Stellung
wirkt. Jedes Gelenk 1 ist mit jedem Achsengehäuse 9 eines
Drehgestells mit zwei montierten Achsen 12 verbunden. In
einem Ausführungsbeispiel
umfasst jeder Längsträger 8 eines
Drehgestells mit zwei Radsätzen 12 zwei
in Reihe angeordnete Zylinder-Gelenke 10, die von einer Hydraulikleitung
P (Druckleitung), T (Rückfluss
zum Tank) mit Hilfe eines gemeinsamen Verteilerventils 13 oder
dgl. gesteuert mit einer Hydraulikflüssigkeit versorgt werden. Jeder
der Hohlräume 5, 6 besitzt eine
vom Ventil 13 ausgehende Versorgungsleitung, die als axiale
Bohrung im Innern der Welle 2 ausgeführt wird und mit der entsprechenden Öffnung 20, 21 in
den Wänden 5a, 6a eines
jeden Hohlraums 5, 6 verbunden ist. Die Versorgungsleitung 7 der
einzelnen Hohlräume 5, 6 wird
anfangs auch für
das Füllen der
Hohlräume 5, 6 mit
der Flüssigkeit
benutzt.
-
Das
Zylinder-Gelenk 1 verhält
sich gleichzeitig wie ein Hydraulikzylinder 10 und wie
eine elastische Feder 11, 15 mit Längssteifigkeit 15 und
Quersteifigkeit 11. Sollte es im aktiven Führungssystem, zu
einer Störung
kommen, wie z.B. teilweiser oder völliger Verlust der Hydraulikflüssigkeit
der Vorrichtung, wirkt das Gelenk 1 als Steifigkeits-feder
Kxl in Längsrichtung
und Kyl in Querrichtung.
-
Wenn
das Gelenk 1 als Hydraulikzylinder 10 wirkt (6-7),
gewährleistet
die von zwei Verteilerventilen 13 gespeiste Führungsvorrichtung
eine relative Verschiebung "d" zwischen dem Achslagergehäuse 9 und
dem Rahmen 8 in der Weise, dass sich die Achsen 12 radial
zur Kurve ausrichten. Wenn wir mit R den Kurvenradius des Gleises,
mit S dden Halbachsstand des Rahmens des Drehgestells 8 in Längsrichtung
X – und
mit Lkl den Halbabstand zwischen den Zylinder-Gelenken 10 in Querrichtung
Y bezeichnen, entsprechen die relativen Verschiebungen "d" der einzelnen Gelenke "d" = S/R·Lklwobei "d" die relative Verschiebung der einzelnen Gelenke 1 darstellt,
die bei denen des in der Kurve aussenliegenden Längsträgers des Drehgestells 8 das
Vorzeichen (+) (Verlängerung)
und bei denen des in der Kurve innenliegenden Längsträgers 8 das Vorzeichen
(–) (Kürzung) hat.
Diese Art der Steuerung der Führungsvorrichtung
wird als "Steuerung durch
Verschiebungen" bezeichnet.
Die Führungsvorrichtungen können auch
durch eine "Kraftsteuerung" betätigt werden,
wobei die Zylinder-Gelenke 10 jeweils eine Kraft "f" zwischen der Buchse 1a und
ihrer Welle 2 in den einzelnen Gelenken 1 ausüben, die bei
Kurvenlauf f = S/R·Lkl·Kxl·Kbeträgt, wobei
die Kraft "f" das Vorzeichen (+),
wenn es sich um Druck handelt und das Gelenk 1 zur Verlängerung
neigt, und das Vorzeichen (–)
hat, wenn es sich um Zug handelt und das Gelenk zum Zusammendrücken neigt, "Kxl" der Wert der Längssteifigkeit 15,
und "K" ein der Einheit
naheliegender Proportionalitätsfaktor
ist, der von der Geschwindigkeit, der nicht ausgeglichenen seitlichen
Beschleunigung und dem Kurvenradius R Funktion ist.