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Drehgestell-Fahrzeug, insbesondere Schienenfahrzeug, mit Achsdruckausgleichvorrichtung
Bekanntlich bewirken die Brems- und Zugkräfte bei lZollfahrzeugen im allgemeinen
zusätzliche Belastungen und Entlastungen der verschiedenen Radac'hsen. Die entlasteten
Räd=er können dann zum Rutschen kommen, wodurch die Zug- bzw. Bremskr'ifte rückwirkend
vermindert werden. Insbeson-<lere wirkt sich dieser Nachteil bei Triebfahrzeugen
aus, indem <las Anzugsmoment der Motoren aus cliesein (runde nicht voll ausgenutzt
werden kann.
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Hei 1)religestell-Fährzengen wirkt sich dieser l:tie'kt besonders
ausgeprägt innerhalb eines Drehgestelles selbst aus, wcil der Radstand dort klein
ist. Je ii:ilier an der Falirbalinebene jedoch die Stelle liegt, an welcher die
Brems- und Zugkräfte auf den Wagenkörper übertragen werden, um so geringfügiger
werden die zusätzlichen Belastungen und Entlastungen. Ein Mitnehmerzapfen auf Fahrbahnhöhe
würde das Problem z. B. grundsätzlich lösen, die Belastungsverteilung der Drehgestellachsen
würde dann wenigstens innerhalb des Drehgestelles selbst durch die Bmems- und Zugkräfte
gar nicht beeinflußt. Diese Lösung läßt sich aber innerhalb des zur Verfügung stehenden
Fahrbahnprofils in der Regel nicht durchführen.
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Die als bekannt vorausgesetzte Ktigelflächenabstützung, wo die Drehpfanne
im Prinzip das
Stück einer Kugelfläche ist, deren Zentrum auf der
Fahrbahnhöhe liegt, ist im Grunde nichts anderes als die Mitnehmerzapfenanordnung
auf Fahrbahnhöhe selbst. Da aber das ganze Kastengewicht über die Drehpfanne abgestützt
wird', entstehen durch die gleichzeitig auftretenden Reibungskräfte infolge des
großen Radius der Gleitfläche beträchtliche Störtnomente, die einem richtigen Ausgleich
entgegenwirken.
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Stellt man sich nun die Aufgabe, zwischen Drehgestell und Wagenkasten
bzw. Fahrzeugrahmen eine Achsdruckausgleidhsvorrichtung, bestehend aus Gestängen,
Hebeln usw., einzubauen, die der Lösung mit Mitnehmerzapfen auf Fahrbahnhöhe gleichwertig
ist, aber weder in das Fahrbahnprofil hineinragt, noch den Nachteil großer Reibungsstörmomente
der Kugelffächenabstützung aufweist, so kann man folgenden Grcdankengang machen:
Die erwähnte Achsdruckausgleichsvorrichtumg muß einer von der Fahrbahn auf den Rad-
bzw. Zahnradumfang in Richtung der Fahrzeuglängsachse wirkenden Kraft das Gleichgewicht
halten können, ohne daß dadurch Änderungen in der Raddruckverteilung eintreten.
Dies kann erreicht werden, wenn diese Vorrichtung Drehgestell und Wagenkasten kinematisch
so verbindet, daß bei einer gedachten (oder im Falle von Änderungen der Fahrbahnneigung
wirklichen) unendlich kleinen Kippbewegung des Drehgestells um eine horizontale
Querachse der Angriffspunkt der Radkraft sich senkrecht zu ihr selbst bewegt. Es
ist dies eine bekannte und in unserem Fall sehr nützliche Gleichgewichtsbedingung
der l4Iec:hanik. Die beschriebene Kippbewegung wird hier deshalb nur als gedachte
bezeichnet, weil sich dabei das Räderpaar der einen Achse von den Schienen abheben,
dasjenige der anderen in die Schienen hineinwandern würde. An Stelle einer nur gedachten
Kippbewegung kann auch eine wirkliche zur Kennzeichnung zugezogen werden, wenn z.
B. eine einzelne Radachse mit Hebeböcken etwas angehoben wird oder wenn das Fahrzeug
langsam, d.'h. ohne Störung durch dynamisch verursachte Zusatzbewegung, in eine
Gefällestrecke hineinfährt und sich somit die Neigung der Fahrbahn ändert.
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Gegenstand der Erfindung ist nun ein Drehgestell-Fahrzeug, insbesondere
Schienenfahrzeug, mit mindestens einem Drehgestell mit einer Vorrichtung zum Ausgleich
der durch die Brems- und Zugkräfte verursachten unterschiedlichen Belastungen der
Radsätze (Achsdruckausgleichvorrichtung), die es ermöglicht, daß das Drehgestell
gegenüber dem Fahrzeugrahmen eine Kippl>ewegun' um eine ideelle waagerechte Querachse
auszuführen vermag, die mindestens angenähert in Höhe der Fahrbahnebene liegt, dadurch
gekennzeichnet, daß die Vorrichtung durch eine rein mechanisch, selbsttätig wirkende
und das Fahrzeugkastengewicht nicht übertragende Achsdruckausgleichvorriclitung
gebildet wird, deren Bewegungskinematik das Drehgestell hei einer Änderung der Fahrbahnneigung
zwingt, gegenüber dem Fahrzeugrahmen um die gedachte Querachse zu kippen, wobei
die Drehzentren aller Glieder der Vorrichtung höher liegen als diese Querachse.
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Die vorgeschlagene Achsdruckausgleichvorrichtung, die das Wag enkästengewicht
nicht überträgt, besteht also aus Gliedern, die zusammen mit ihren Drehzentren und
Drehachsen alle in angemessenem Abstand von der Fahrbahnebene angeordnet werden
können und die dennoch die ideelle Drehachse zwisdhen Wagenkörper und Drehgestell
in die oder in die Nähe der Fahrbähnebene verlegen. Wenn hier von Dreliac,hsen und
Drehzentren gesprochen wird, so sollen dabei auch Kraftühertragun-gselemente ohne
eigentliche Gelenke mit eingeschlossen sein, wie beispielsweise elastische eingespannte
Elemente, Lamellen- und Membranführungen usw.
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Verschiedene Ausführungsbeispiele derErfindung sind an Hand der schematischen
Zeichnungen nachstehend erläutert.
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Fig. i zeigt das Beispiel einer derartigen verbesserten Achsdruckausgleichvorrichtung,
die die Vertikalkräfte des Wagenkastens nicht mit übertragen muß. Fig. 2 zeigt dieselbe
Vorrichtung bei einer Kippbewegung des Drehgestelles gegen den Wagenkasten, und
Fig. 3 bis 6 zeigen die verschiedenen Glieder einzeln mit den aufeinander ausgeübten
Kräften. Diese 21,usführungsform weist zwei hebelartig ausgebildete Glieder 2 und
3 auf, von denen sich jedes sowohl auf das andere als auch auf den Wagenkasten 4
sowie auf das Drehgestell i abstützt. Unter Abstützung sei 'hier und im folgenden
eine allgemeine kraftmäßige Verbindung verstanden, mit Abstützen also eine Übertragung
von Kräften irgendwelcher Art und -nicIht nur von. Gewichtskräften.
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Die Abstützung gegeneinander erfolgt über das Gelenk 23, die Abstützung
von Hebel 2 auf den Wagenkörper 4 über das Gelenk 24 und auf den Drehgestellrahmen
i über das Gelenk 12. Der Hebel 3 stützt sich über Gelenk 34 sowie über die Traverse
44 auf den Wagenkörper 4 ab; über das Gelenk 13
stützt er sich auf den Drehgestellrahmen
i ab.
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Damit das System nicht nur unendlich kleine Ausschläge machen. kann,
müssen einige der Gelenke vertikales Spiel erhalten. Besonders günstig ist es, zwei
Gelenke, z. 13. 13 und 23, vertikal unverschiebbar und die drei anderen 12,
23, 34 verschiebbar zu machen. Achtet man dabei darauf, daß die drei verschiebbaren
Gelenke nicht alle auf demselben Glied, sei es nun Glied 2 oder 3, angeordnet sind,
so erreicht man nicht nur die kinematische Bewegungsmöglichkeit, sondern verhindert
gleichzeitig, wie gewünscht, eine Übertragung der vertikalen Wagenkräfte, obgleich
die Gewichte der Glieder 2 und 3 selbst ohne weitere Hilfselemente auf Drehgestell
oder `'Wagenkörper abgestützt werden. Bei diesem Beispiel sind 13 und 24
die uriverschiebbaren, 12, 23 und 34 die verschiebbaren Gelenke, welch letztere
wedler alle am Glied 2 noch am Glied 3 angeordnet sind.
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Das Kastengewicht kann sich bei diesem Beispiel weder über die Gelenke
24, 12 noch über 24, 23, 13
noch über 34, 13 noch über 34, 23, i2 abstützen,
weil in jeden Folge mindestens eines der vertikal
verschiebbaren
Gelenke 12, 23 und 34 enthalten ist. .Anderseits wird das Eigengewicht des Gliedes
2 über das urverschiebbare Gelenk 24 vom Wagenkörper aufgenommen, während Glied
3 am Gelenk 13 am I)religestellralimen hängt.
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Man kann die Zahl und die Anordnung der verschiebbaren und urverschiebbaren
Gelenke auch nach anderen Gesichtspunkten wählen; je nachdem wird dann das lN'agengewicht
über die Ausgleic'hvorrichtung mit abgestützt, oder die Eigengewichte der einzelnen
Glieder müssen über Hilfselemente auf (las Drehgestell oder den Wagenkörper abgestützt
werden. Nicht zulässig sind allerdings Kombinationen, bei denen die kinematische
Beweglichkeit nicht gewährleistet ist; so wäre es z. B. ttnzalässig, beim Beispiel
von Fig. i die Gelenke 12, 13 und 23 gleichzeitig ohne Vertikalspiel auszuführen.
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VieleScliwierigkeiten können natürlichumgangen werden, wenn statt
urverschiebbarer Abstützungen solche gewählt werden, die sich elastisch verformen
können, wie z.13. Silentblocs usw., da damit die kinematische BeNvegliclikeit doch
gesichert werden kann.
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Die Lage der Gelenke zueinander ist nicht beliebig. IhreAbstände von
der ideellenDrehachsesind bedingungsmäßig verknüpft, so daß nur vier dieser Abstände
frei gewählt Nverden können. Die analytische Behandlung dieses Problems bietet dem
Fachtnati,n keine Schwierigkeiten. Die Wahl der Abs 'inde und #die Festlegung der
verschiebbaren Gelenke kann unter Umständen der Federung zwischen Wagenkasten und
Drehgestell einerseits und zwisc.hen Dreligestellrahmen und Adhslagern anderseits
angepaßt werden, und zwar in der Weise, daß sich die Lage der ideellen Drehachse
A auch bei verschiedenen @Vagetil>elastiurgen nur wenig oder gar sticht ändert.
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111 FinG. 2 ist das Drehgestell in ausgekippter Lage gezeichnet. Die
Verbindungsgerade der Gelenke 24 und 34 einerseits und diejenige der Gelenke 12
und 13 anderseits schneidet sich im Punkt A. Für einen unendlich kleinen Kippwinkel
ward A zur ideellen Drehachse beim Beginn der Kippbewegung, die in oder mindestens
in der Nähe der Fahrbahnebene liegt. Diese Drehachse liegt also, wie gefordert,
in einem Abstand untrer den fünf Gelenkdrehzentren 12, 13, 23, 24 und 34. Die Abhängigkeit
der Gelenkdistanzen ersieht man aus dieser Figur besonders gut. Wenn man sich die
Lage der Gelenke 12, 13, 24 und 34 sowie die des Punktes A gewählt
denkt, bestimmt sich die Lage des Gelenkliunktes 23 durch Schnitt der Verbindungsgeraden
v011 12 1>1s 24 einerseits und 13 bis 34 anderseits. Da dieser Schnitt allerdings
streng genommen für unendlich kleine Winkel gemacht werden sollte, gilt diese Konstruktion
nur näherungsweise. Mit Hilfe der analytischen Geometrie findet man allerdings auch
ohne Schwierigkeit die genaue Beziehung.
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In den Fig. 3 bis 6 ist im einzelnen dargestellt, wie die Übertragung
einer von der Fahrbahn bei A ausgeübten Zug- oder Bremskraft K auf dien Wagenkörper
erfolgt. Stellt man dabei die statische Bedingung auf, daß sieh (Fig. 3) die in
A angreifende Kraft K mit den auf die Gelenke 12 und 13 wirkenden Kräften am Drehgestell
im Gleichgewicht befindet (damit die Achsdruckverteilung forderungsgemäß nicht beeinflußt
wird), so findet man dieselbe Beziehung wie vorher durch die rein kinematische Überlegungsweise
mit Hilfe der analytischen Geometrie.
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Die am Radumfang in A angreifende Kraft K (Fig. 3) wird zunächst auf
das Gelenk 12 übertragen. Die inneren Kräfte der Bremsklotz- oder Motorreaktionen
werden hier aus denselben Überlegungen wie beim Beispiel von Fig. i außer acht gelassen.
Dem Versatzmoment der Kraft K wirkt ein solches der Kraft K13 entgegen, welche das
Glied 3 auf das Gelenk 13 ausübt. Das Gelenk 12 überträgt infolgedessen nicht nur
die Kraft K, sondern zusätzlich eine Hilfskraft K13 auf das Glied 2 (Fig. 4).
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Die Kräfte K und K13 werden vom Glied 2 auf das Gelenk 23 übertragen.
Dem entsprechenden Versatzmoment wirkt ein solches der Kraft K24 entgegen, welches
der Wagenkörper 4 auf das Gelenk 24 ausübt. Das Gelenk 23 überträgt infolgedessen
nicht nur die Kräfte K -f- K13, sondern zusätzlich eine Hilfskraft K24 auf das Glied
3 (Fig: 5).
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Von der Übertragungskraft K -I- K24 -1- K13 des Gelenkes 23
wird auf das `Gelenk 34 nur noch K und K24 weitergegeben. Die Hiilfskraft K13 kommt
wegen der im Gelenk 13 angreifenden Kraft K13 wieder in Wegfall.
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In Fig. 6 ist der Wagenkörper 4 sowie die mit ihm starr verbundene
Traverse 44 .gezeigt. Man sieht aus der Figur, daß resultierend auf den Wagenkörper
die richtig übertragene Kraft K im Gelenk 34 wirkt und ferner ein reines Moment
des in den beiden Gelenken angreifenden Kräftepaares K24.
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In Fi,g. 7 bis io sei ein Beispiel gezeigt, wo eine Abstützung in
Form von Parallelpendeln ein Gelenk im unendlich Fernen ersetzt.
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Fig. 7 veranschaulicht einen Längsschnitt eines mit Achsdruckausgleichvorrichtung
ausgerüsteten Drehgestelles und Fig. 9 dessen Querschnitt. Auch hier sind zwei hebelartige
Glieder 2 und 3 vorhanden, von denen sich jedes sowohl auf das andere als auch auf
den Wagenkasten 4 sowie auf das Drehgestell i abstützt. Die Abstützung gegeneinander
erfolgt über das Gelenk 23. Die Abstützung des Gliedes 2 auf den Wagenkörper 4 erfolgt
über eine Traverse 44 am Gelenk 24 und auf den Drehgestellrahmen i über das Gelenk
12. Das hebelartige Glied 3 stützt sich über das Gelenk 34 auf den Wagenkörper 4
a1), während es sich über die vier Parallelpendel 13' bzw. 13" auf den Drehgestellrahmen
1 abstützt. Diese Pendelabstützung ersetzt also, natürlich nur für kleine Bewegungen,
kinematisch ein Gelenk im u,nendl,idh Fernen. Im Prinzip ist also dieses Beispiel
mir ein Spezialfall einer allgemeineren Anordnung, von der ein Beispiel in Fig.
i gezeigt wurde.
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Bei diesem Beispiel lassen die drei Gelenkstellen 23, 24 und 34, die
nicht alle auf demselben Glied
liegen, Vertikalverschiebungen zu,
während die beiden anderen Abstützungen, nämlich das Gelenk 1 2 und die Pendel 13'
und 13", keine Vertikalverschiebungen zulassen.
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Das Kastengewicht wird über die Blattfedern 9 auf den Drehgestellra'hmen
übertragen und kann sich in diesem Falle nicht über die Glieder 2, 3 auf das Drehgestel'1
abstützen, weil die beiden mit dem Wagenkörper 4 direkt bzw. indirekt .verbundenen
Gelenke 24 und 34, wie erwähnt, Vertikalverschiebungen zulassen.
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Die ideelle Drehachse A von Drehgestell und Wagenkörper liegt auch
bei diesem Beispiel in der Fahrbahnebene, wie aus der Prinzipskizze von Fig.8 zu
sehen ist. Es sind nur die Mittelpunkte der vier Gelenke 12, 23, 24 und 34 sowie
die Mittellinien der Glieder 2 und 3 in einer Lage gezeichnet, bei welcher das.
Drehgestell um einen kleinen Winkel im Uhrzeigersinn ausgekippt ist. Die Mittellinie
des Drehgestelles durch das Gelenk 12 muß parallel zur Mittellinie dies Gliedes
3 gezogen werden und schneidet dann die Mittellinie 24 bis 34 des Wagenkörpers in
der ideellen Drehachse A.
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Die Übertragung einer in Fahrtrichtung von der Schiene auf den Radumfang
ausgeübten Kraft K auf den Wagenkörper kann (ganz analog zu den Überlegungen gemäß
Fig.3 bis 6) leicht verfolgt werden: Da die Pendel 13' und 13" keine horizontalen
Kräfte übertragen können, stützt sich im Gelenk 12 einzig die Kraft K auf das Glied
2 ab.
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Das Glied 2 überträgt die Kraft K weiter auf das Gelenk 24. Das entsprechende
Versatzmoment erzeugt im Gelenk 23 eiLne Kraft K23, die einerseits über das Gelenk
24 eine sieh zur Kraft K addierende Kraft von gleicher Größe wie K23 nach f,iinks
auf den Wagenkörper ausübt und anderseits eine ebensolche Kraft von wiederum gleicher
Größe wie K23 über das Gelenk 34 nach rechts auf dien Wagenkörper erzeugt. Resultierend
wirkt also auf diesen die richtig übertragene Kraft K im Gelenk 24 sowie ein reines
Moment des in den beiden Gelenken 24 und 34 angreifenden Kräftepaares K23. Voraussetzung
ist allerdings eine korrekte Wahl der verschiedenen Gelenkabstände.
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Es kann von Vorteil sein, für die Schmierung der Gelenke Tauchschmierung
vorzusehen. Bei dem Konstruktionsbeispiel von Fig. 7 und 9 sind die Behälter io
und 11 für die Aufnahme des hierzu nötigen Schmiermittels bestimmt.
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Fig. io zeigt eine schematische Darstellung der Ilel>elver'hältnisse
der vorgenannten Konstruktion. Damit die ideelle Drehachse A in der Fahrbahnebene
liegt, muß das Verhältnis b : c = a : d sein, wie sich aus Fig. 8 ergibt.
Die Abstände c und b sind fest, a und d werden sich dagegen unter
dem litifluß verschiedener Wagenbelastungen verändern. Wählt man@ihr Verhältnis
gleich dem Verhältnis der Elastizität der Federungen, so bleibt die Lage der ideellen
Drehachse A von den Wa@genhelastungen unabhängig.
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An einem letzten Beispiel sei- in Fig. i i und 12 kurz gezeugt, wie
auch zwei, Abstützvorri.chtutigen vorhanden ,sein können, die jede ein Gelenk im
unend'lieh Fernen ersetzen. Die Glieder 2 und 3 stützen sich im Gelenk 23 aufeinander
ab, Gfied 2 ist über Gelenk 12 mit dem Dreligestellrahmen i und über die Pendelabstützung
24', 24" mit dem Wagenkörper 4 verbunden. Schließlich stutzt sich Glied' 3 über
das Gelenk 34 auf dien Wagenkörper 4 und über die Pendelabstützung 13', 13" auf
den Drehgestellrahmen i ab.
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Da die Pendelabstützungen keine Vertikalverschiebungen zulassen, müssen
alle drei Gelenke (die nicht alle auf demselben Glied sitzen) verschiebbar gemacht
werden, damit die Wa.gengewichts!kräfte nicht übertragen werden.
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In Fig. 12 sieht man, daß die Gelenke 12, 23 und 34 mit der ideellen
Drehachse ,4 beim Kippen des Drehgestelles ein Parallelogramm bilden müssen, woraus
sich die Lage der Drehachse A dhne weiteres ergibt.
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Wegen der beiden Parallelführungen wird in diesen Fällen die Radumfangskraft
K nacheinander über die Gelenke 12, 23 und 34 auf den Kasten 4 übertragen, ohne
daß andere Zusatzkräfte hinzukommen. Die '.in dien Gelenken übertragenen Kräfte
sind bei diesem Beispiel infolgedessen minimal.