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Drehzapfenrückstellvorrichtung für Drehgestellfahrzeuge, insbesondere
Schienenfahrzeuge Zur Abstützung in Querrichtung des Lokomotiv-bzw. Wagenoberkastens
gegenüber den Drehgestellen sind zwei Hauptgruppen von Konstruktionen bekannt. r.
Die Verbindung von Oberkasten und Drehgestell in Querrichtung wird durch einen quer
!, verschiebbaren Drehzapfen hergestellt, der am Oberkasten fest ist und der sich
gegenüber dein Drehgestell nach Überwindung einer Federvorspannung seitlich verschieben
kann. 2. Die Verbindung von Oberkasten und Drehgestell wird durch eine sogenannte
Wiege dargestellt, das ist eine pendelartige Aufhängung des Oberkastens im Drehgestell,
die ebenfalls ein seitliches Ausweichen des Oberkastens gegenüber dem Drehgestell
gestattet.
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Der Vorteil der Drehzapfenkonstruktion ist die konstruktive Einfachheit,
besonders hinsichtlich der Übertragung der Zugkräfte, wenn sich die Puffer am Oberkasten
befinden. Ihr Nachteil hat darin bestanden, daß der Drehzapfen der bisherigen Konstruktionen
erst dann seitlich ausweichen konnte, wenn die Federvorspannung überwunden wurde.
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Der Vorteil der Wiegenkonstruktion ist, daß ihre Rückstellkraft von
Null aus ansteigt, daß keine Lose und kein Stoß auftreten können. Ihr großer Nachteil
ist der konstruktive Mehraufwand, der besonders bei knappen Platzverhältnissen erschweiend
ins Gewicht fällt und außerdem die Schwierigkeit der Übertragung der Zugkraft auf
den Oberkasten.
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Aufgabe .der Erfindung ist es, die Vorteile der alten Drehzapfenrückstellvorrichtung
mit denen :der Wiegenkonstruktion unter Vermeidung der Nachteile
beider
Konstruktionen zu verbinden. Das wird erfindungsgemäß dadurch in erster Linie erreicht,
daß zur Verwirklichung der Rückstellcharakteristik einer Wiege je Drehgestellseite
mindestens zwei Federungselemente (aus gleichen oder verschiedenen Werkstoffen)
derart in Reihe geschaltet sind, daß die Rückstellkraft mit Null oder einer sehr
geringen Vorspannung beginnt und daß nach einem bestimmten Seitenausschlag des Drehzapfens
sich die Rückstellcharakteristik ändert, indem die Rückstellkraft stärker oder geringer
als zu Beginn ansteigt.
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Ein weiterer entscheidender Vorteil der neuen Anordnung besteht darin,
daß man nicht nur beim Durchgang durch die Ruhelage wegen des Fortfalls der Vorspannung
eine Stoßwirkung vermeidet, besonders beim Einfahren der Fahrzeuge in die Krümmung,
sondern auch durch entsprechende Ausbildung und Auswahl der Federcharakteristik
in der Lage ist, ein größeres Arbeitsvermögen der Feder zu verwirklichen, als es
bei der Wiegenanordnung mit Pendeln möglich ist. Man vermeidet so bei schlechter
Gleislage viel eher ein starkes und sehr .nachteiliges Anschlagen der Federn an
die Hubbegrenzung, als dies bei Fahrzeugen mit Wiegenanordnung, besonders bei höheren
Geschwindigkeiten, möglich ist, und erzielt dadurch einen ruhigeren Lauf.
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Nach einemweiterenErfindungsgedanken ist man durch die Reihenschaltung
zweier Federelemente auch in der Lage, besonders bei schwereren Fahrzeugen, also
z. B. Lokomotiven mit hohem Achsdruck, als erste Feder Gummi, beispielsweise in
der Form von Schwingmetall zu verwenden, ohne eine Überbeanspruchung oder Überdimensionierung
der Federelemente -aus Gummi befürchten zu müssen, da die zweite Federung nach Zurücklegung
des Federweges der ersten Federung die größeren Kräfte übernimmt und diese Kräfte
nur über die dann aufeinanderliegenden Teller der ersten Federung leitet.
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Da für ein stoßfreies Schwingen des Oberkastens gegenüber dem Drehgestell
eine weitere Voraussetzung darin besteht, daß die beim Schwingungsvorgang aufeinander
gleitenden Teile gut geschmiert sind und die dabei auftretenden Reibungen und Reibungsdämpfungen
gering sind, sieht ein weiterer Gedanke der Erfindung vor, diese geschmierten Gleitflächen
möglichst zu verringern bzw. die gleitende Reibung .durch die wesentlich geringere
rollende Reibung zu ersetzen. Zu diesem Zweck sieht die Erfindung vor, an Stelle
der gleitenden Seitenstützen des Oberkastens praktisch reibungs- und spielfrei geführte
Pendelstützen anzuordnen.
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Mit der Reihenschaltung von je zwei Federelementen je Fahrzeugseite,
die entweder aus zwei Stahlfedern oder aus einer Stahlfeder und einem Gummielement
bestehen, in Verbindung mit der reibungsarmen Seitenabstützung mittels Pendelstützen,
wird erreicht, daß ein Hauptvorteil der Wiegenkonstruktion, nämlich Ansteigen der
Rückstellkraft von Null aus, mit der einfacheren Drehzapfenkonstruktion verwirklicht
ist, unter Wahrung der bisherigen Vorteile der Zapfenkonstruktion, insbesondere
hinsichtlich der Übertragung der Zugkräfte.
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Die Zeichnung zeigt drei Ausführungsbeispiele des Gegenstandes der
Erfindung.
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In Bild i ist eine der möglichen Ausführungen der Drehzapfenrückstellvorrichtung
z. B. mit zwei Stahlfedern in Serie im Grundriß dargestellt. Der am Oberkasten feste
Drehzapfen i kann sich in lotrechter Richtung im Gleitstück 2 frei bewegen. Dieses
Gleitstück 2 kann sich in Schienenlängsrichtung relativ zum Drehgestell nicht frei
bewegen, wohl aber in der Querrichtung. Die Zugkräfte werden also in einfachster
Weise durch die Gleitflächen 12 übertragen. Das Gleitstück 2 wird durch das erste
Federelementenpaar 3a und 3b in seiner Mittelstellung gehalten, und zwar durch das
Gegeneinanderwirken der gleich großen Vorspannungen der Federelemente 3a und 3b.
Bei einer Seitenbewegung des Drehzapfens gegenüber dem Drehgestell nimmt die Rückstellkraft
von Null an zu, entsprechend den schraffierten Flächen der Federkennlinie (Bild
2). Durch passende Auswahl der Federungseigenschaften der Federelemente hat man
es in der Hand, sowohl den Anstieg der Rückstellkraft wie auch das Arbeitsvermögen
zu verändern. Hat der Drehzapfen einen gewissen Seitenausschlag gemacht, so legen
sich ,die Hubbegrenzungen 4a und 4b auf die entsprechenden Gegenstücke 5a bzw. 5b
auf, und die gedrückte Feder 3a bzw. 3b kann nicht weiter verformt werden. Statt
dessen wird bei weiterem Seitenausschlag des Drehzapfens die Feder 6a bei Ausschlag
nach rechts und die Feder 6b bei Ausschlag nach links verformt, wobei der Federteller
7a bzw. 7b, der zugleich den Anschlag 5a bzw. 5b trägt, in der Führung 8a bzw. 8b
gleitet. Die Feder 6a bzw. 6b stützt sich ab am Federteller 9a bzw. 9b, der sich
über den Gewindebolzen ioa bzw. iob am Drehgestellrahmen i i abstützt. Die Gewindebolzen
ioa bzw. iob dienen zur Einstellung der Vorspannung der Federn 6a bzw. 6b. Deren
Vorspannung ist zweckmäßig so einzustellen, daß sie gleich oder etwas kleiner ist
als die Kraft der Feder 3a bzw. 3b kurz vor Beendigung ihres Hubes.
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In bezug auf den Drehzapfen i ergibt sich also ein Diagramm der Rückstellkraft,
wie es in Bild 3 a oder 31) schematisch dargestellt ist, je nach Auswahl
der gewählten Federungseigenschaften. Bei Bild 3a sind die Federn 3a, 3b steifer
als die Federn 6a, 6b; bei Bild 3 b ist es umgekehrt.
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In Bild 4 ist schematisch dargestellt, wie die gleiche Aufgabe mit
der Serienschaltung Gummi-Stahlfeder gelöst werden kann. Der Drehzapfen i ist wieder
senkrecht beweglich im Gleitstück 2 geführt. Das erste Federelementenpaar wird dargestellt
durch die Gummiblöcke 3° und 3b. Deren Hub wird begrenzt durch die Anschläge 4a
und 4b bzw. 5a und 5b. Im weiteren ist der Aufbau gleich dem des Bildes i. Die dort
verwendeten Nummern gelten auch hier.
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Schließlich ist in Bild 5, das das Zusammenwirken von Drehzapfenrückstellvorrichtung
und Pen- j delstützen veranschaulichen soll, ein senkrechter
Querschnitt
durch die Drehzapfenrückstellvorrichtung einschließlich der Pendelstützen dargestellt.
Die störende gleitende Reibung ist bis auf die der Führung der Federteller und der
Übertragungsflächen für die Zugkraft praktisch ganz ausgeschaltet.
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Der Wagenoberkasten, mit 31 bezeichnet, stützt sich auf je einem der
Drehgestellrahmen 32 in lotrechter Richtung ab mit Hilfe der zwei Pendelstützen
33 und 34. Auf die Pendelstützen 33 und 34 wird also das halbe Gewicht des Wagenoberkastens
31 über die zwei Schraubenfedern 35 und 36 übertragen. Die unteren Federteller der
Schraubenfedern 35 und 36 sind im Wagenoberkasten an den zylindrischen Führungen
37 und 38 so geführt, daß der Wagenoberkasten 31 lotrechte Bewegungen gegenüber
dem Drehgestellrahmen 32 ausführen kann. Die seitliche Führung des Wagenkastens
31 gegenüber dem Drehgestellrahmen 32 wird durch den Drehzapfen 39 gewährleistet,
der auch über die Gleitplatten 4o die Zug- und Bremskräfte übertragen muß. Der Drehzapfen
39 wird geführt in dem Gleitstück 41, welches wieder, wie in Bild 4 beschrieben,
vom ersten Federpaar 42 und 43 in Mittelstellung gehalten wird. Ist das vorgesehene
Spiel der Federn 42 und 43 erschöpft, dann treten die Federn 44 und 45 als zweites
Federpaar in Aktion.
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Wird der Drehgestellrahmen momentan als fest angesehen, so kann der
Oberkasten folgende Beivegungen gegenüber dem Drehgestell ausführen: i. Lotrechte
Bewegung in Richtung der z-Achse: Dabei wirken als Rückstellkräfte die Federn 35
und 36 und als Reibungsdämpfung die Reibung der Führungen 37 und 38 und die des
Zapfens in der Kugelschale 46. Alle Reibungskräfte sind gering, da keine Kräfte
senkrecht zur Bewegung auftreten.
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2. Horizontale Querbewegung in Richtung der y-Achse: Die Rückstellkräfte
liefern die Federn 42 und 43 bzw. 44 und 45. Reibkräfte treten nur auf in den Führungen
der Federteller 47 und 48 und der Pendelstützen 33 und 34, die sehr gering sind,
und an den Gleitplatten 4o, deren Größe sich nach der geforderten Zugkraft richtet.
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3. Horizontale Längsbewegung in Richtung der .x-Achse: Sie können
nicht auftreten, da dies von den Gleitplatten 40 verhindert wird.
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4. Drehung um die lotrechte z-Achse durch Drehzapfenmitte: Die Rückstellkräfte
sind gleich Null. An Reibungskräften treten nur geringe an den Führungen der Pendelstützen
33 und 34 auf und ebenfalls geringe Kräfte des Drehzapfens 39 in der Kugelschale
46.
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5. Drehung um die quer liegende y-Achse durch Mitte Kugelschale 46:
Die Rückstellkräfte sind gleich Null. Geringe Reibungskräfte treten nur auf an den
Führungen .der Pendelstützen 33 und 34 und an der Kugelschale 46 im Gleitstück 0.
6. Drehung um die längs liegende x-Achse durch Mitte Kugelschale: Die Rückstellkräfte
werden von den Federn 35 und 36 geliefert. Reibungskräfte treten nur in geringer
Größe auf an den Führungen der Pendelstützen 33 und 34 und der Kugelschale 46 im
Gleitstück 4r.
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Alle anderen Bewegungen sind nur Kombinationen der obengenannten.
Außer den Reibungskräften an der Gleitplatte 4o zur Zugkraftübertragung treten bei
dieser Anordnung keine Reibungsbewegungen mehr auf, die unter wesentlichen Kräften,
insbesondere unter Last vor sich gehen. Aber auch diese können durch eine geeignete
Schmierung auf ein geringes Maß herabgesetzt werden.
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Zur Herabsetzung der Schwingungsausschläge in der Geraden bei höchsten
Fahrgeschwindigkeiten kann je eins der in Reihe geschalteten Federpaare 3a, 36 oder
6a, 6b vom Führerstand aus blockiert werden.