DE868609C - Bremsanordnung fuer abgefederte Fahrzeuge mit mindestens zwei Achsen, insbesondere fuer Schienenfahrzeuge - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Fahrzeuge, wie z. B. Eisenbahnwagen, mit einem Fahrgestell, das über mehrere Achsen auf einer, nachgiebigen Vorrichtung, wie beispielsweise einer Feder, abgestützt ist.
Die Erfindung betrifft eine Bremsanordnung für vorstehend genannte Fahrzeuge, bei der mit dem Fahrzeugrahmen verbundene Bremskörper nicht an den Laufflächen der Räder, sondern an den Seitenflächen von auf beiden Achsen getrennt angeordneten

ίο Scheibenbremsen angreifen. Durch diese besondere Anordnung ist eine gegenüber den Rädern und den Seitenrahmen des Fahrgestells wahrnehmbare Beeinflussung der Belastung der federnden Aufhängung des Fahrgestells durch das Bremsmoment sowohl beim Langsam- wie beim Schnellbremsen vermieden.

In der Zeichnung ist zum Zweck der Erläuterung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.

Fig. ι ist eine Seitenansicht eines Fahrgestells; einzelne Teile sind weggebrochen, um auf diese Weise die Lage der darunterliegenden Bremse sichtbar zu machen;

Fig. 2 ist ein Grundriß der einen Hälfte des Fahrgestells nach Fig. 1; einzelne Teile sind weggebrochen;

Fig. 3 ist ein senkrechter Querschnitt durch die Bremse und zugehörigen Teile;

Fig. 4 und 5 sind schematische Darstellungen zur Veranschaulichung der auf das Fahrgestell und die Bremse übertragenen Antriebskräfte.

Nach der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eine Bremse für Schienenfahrzeuge, bestehend aus mehreren Bremsgliedern, geschaffen, die

auf der Innenseite der Räder liegen und zur Übertragung von Drehmomenten mit diesen in Verbindung stehen. Die Bremsglieder können entweder als Kegel oder Scheiben ausgebildet sein. Scheibenförmige Bremsglieder sind jedoch vorzuziehen. Bei der dargestellten Ausführungsform sind die Scheiben unmittelbar an die Räder angeschlossen, während die Bremsschuhe von einer noch zu beschreibenden Aufhängung getragen sind,
ίο Das in Fig. ι und 2 dargestellte Fahrgestell 10 besteht aus einem Seitenrahmen in der Form eines hohlen kastenartigen Trägers 11, in den irgendeine federnde Tragvorrichtung 12 für ein Lager 13 zur Aufnahme einer Achse 14 eingesetzt ist. Das Lager 13 befindet sich außerhalb des zugehörigen Rades. Die Einzelheiten dieser Anordnung sind für die Erfindung als solche nicht von Bedeutung. Es sei daher lediglich gesagt, daß bei der dargestellten Ausführungsform die das Rad 15 tragende Achse 14 feststehend ausgebildet ist, während das Rad 15 auf ihr umlaufen kann. Im Fall einer drehbaren Achse sind die Räder 15 fest mit ihr verbunden. In diesem Fall würde die Welle in dem Lager 13 umlaufen. ·

Das Fahrgestell weist ferner einen schwebenden oder schwingenden Achsschemel 16 mit einem Drehzapfenlager 17 auf, der, wie in Fig. 1 gezeigt, mit Hilfe von Federn 18 von einer die Federn 18 abstützenden Tragplatte 19 des Seitenrahmens getragen ist. Die Federn 18 sind nach außen geneigt, um auf diese Weise seitlichen Bewegungen des Achsschemels einen Widerstand entgegenzusetzen. Einer Längsbewegung des Achsschemels ist durch entsprechende Puffer 21 entgegengewirkt. Die Puffer 21 schließen sich an die zu den Querträgern gehörenden Stege 22 an. Die einzelnen Stege 22 stellen Verlängerungen je eines waagerechten Steges 23 dar. Alle Stege zusammen bilden einen Querträger, durch den dem Fahrgestell seine Steifigkeit gegeben ist. Die nachstehend beschriebene neue Bremsanordnung ist auf die verschiedensten Fahrgestelle anwendbar. Das dargestellte besondere Fahrgestell ist also nur als ein Ausführungsbeispiel anzusehen, bei dem die neue Bremse angewendet werden kann. Der eigentliche Wagenkörper des Fahrzeugs ist in der Zeichnung durch die gestrichelten Linien oberhalb des Drehzapfenlagers 17 angedeutet.

Den einzelnen Rädern 15 ist je eine Bremsscheibe 25 zugeordnet. Die Scheiben 25 stehen mit den Rädern 15 über einen beispielsweise bei 37 mit ihnen verschraubten Flansch 36 in Verbindung. Die Scheiben 25 sind zweckmäßig mit zwei Bremsflächen oder Ringen 26, 26° sowie einer dazwischenliegenden Gruppe von Stegen 27 versehen, die radial gerichtet und von im wesentlichen gleichmäßiger Weite sind sowie sich von einem innerhalb der Bremsringe 26,26° liegenden Punkt nach deren äußerem Ende erstrecken. Die Stege 27 dienen zum Zusammenhalten der Bremsringe. Durch die Zwischenräume kann die zwischen den Ringen 26, 26° befindliche Luft hindurchstreichen, um das Innere der Bremsringe zu kühlen. Der an die Scheibe 25 angeschlossene Flansch 36 aus Preßmetall ist mit einer TJmfläche in einen der Ringe 26 oder 26*: eingegossen.

Mit den Bremsringen 26 und 26" wirken Bremsschuhe 30 und 30° zusammen, von denen jeder aus 6g einem oder mehreren Bremsblöcken 31 einer geeigneten Zusammensetzung besteht. Die Bremsschuhe 30 sind zweckmäßig von einem Zugband 34 getragen. Dabei sollen die auf die einzelnen Blöcke ausgeübten Drehmomente, wie nachstehend noch ausführlicher beschrieben ist, in eine resultierende Zugkraft umgewandelt werden, die durch die Verlängerung 34° des Zugbandes 34 unter Vermittlung der als Zugstange oder -welle ausgebildeten Verbindungsstange 40 zwischen der Verlängerung 34° und dem Rahmen des Fahrgestells auf diesen übertragen wird.

Die Bremsschuhe 30 und 30° erstrecken sich über einen winkligen Bereich von etwa 120⁰. Der Mittelpunkt ihres resultierenden tangentialen Zuges P liegt dabei nahe ihrer äußeren Umflächenkante, beispielsweise bei 47. Ihr Gewicht ist auf radialen Armen 35 abgestützt, die in der durch den Mittelpunkt 47 hindurchgehenden radialen Symmetrieebene 51 liegen. Die Arme 35 ruhen schwingend auf den Achsen 48 auf und sind drehbar an die Zugbänder 34 angeschlossen. Hierdurch ist erreicht, daß die Arme 35 zu der resultierenden tangentialen Zugkraft P rechtwinklig stehen. Die Zugbänder 34 und ihre Verlängerungen 34° sind in Richtung des resultierenden Zuges P angeordnet. Ferner geht der resultierende ,Zug auch durch die in der waagerechten Ebene 50 der Achse 48 liegende Ebene hindurch.

Die Steuerung der Bremsschuhe gegenüber der Bremsscheibe gehört nicht zur Erfindung; sie geschieht jedoch zweckmäßig unter Anwendung eines pneumatischen Drucks. Bei der dargestellten Ausführungsform weist der Bremsschuh 30° einen mit ihm aus einem Stück gegossenen Bremszylinder 42 mit einem Kolben 43 auf, der über eine Kolbenstange 44 mit dem gegenüberliegenden Schuh 30 in Verbindung steht. Die Kolbenstange 44 ist dabei durch das Zugband 34 hindurchgeführt, indem sie hierbei die Schuhe auf diesem abstützt. Die Freigabe der Schuhe nach dem Bremsen geschieht zweckmäßig durch sich entgegenwirkende Freigabefedern 46 und 47, die auf gegenüberliegenden Seiten des Zugbandes 34 zur Anlage kommen. ■

Die vorgeschriebene Bremseinrichtung ist in dem Patent 868 610 näher beschrieben und dargestellt.

Mit Rücksicht, auf die im Eisenbahnbetrieb erforderlichen hohen Bremsdrehmomente und die verhältnismäßig großen Belastungen, denen die Tragfedem häufig ausgesetzt sind, erscheint es besonders wünschenswert, daß in dem Federsystem keine durch die Betätigung der Bremsen erzeugten Änderungen der Federbelastung hervorgerufen werden. Wenn die Vorwärtsbewegung des Fährgestells verzögert wird, übt der Fahrzeugkörper infolge seiner Trägheit auf das Drehzapfenlager 17 des Achsschemels eine Kraft aus. Diese Kraft übt auf das Fahrgestell ein Drehmoment aus und trachtet, die hinteren Räder anzuheben unter gleichzeitiger Erhöhung des Drucks, mit welchem die vorderen Räder auf den Schienen aufruhen. Die Gewichtsübertragung auf die Schienen kann durch die Aufhängung der Bremse nicht beeinflußt werden. Andererseits kann durch eine in

vorherbestimmter Weise erfolgende Verankerung der Bremsen am Fahrgestellrahmen Änderungen in der vorderen und hinteren Lagerbelastung entgegengewirkt werden, wodurch ein Neigen des Fahrgestellrahmens vermieden wird. Demgemäß werden die Zugarme 34^a der Bremsen in einer solchen Stellung angeordnet, daß die vorderen und hinteren Federn des Fahrgestells in ihrer normalen Belastung gehalten werden,, soweit die senkrechte Bewegung in Frage

ίο kommt. Die Verankerung der auf die Achse in waagerechter Richtung ausgeübten Kräfte braucht nicht berücksichtigt zu werden, da sie die Federbelastung nicht beeinträchtigt, in Anbetracht der Tatsache, daß sie keine senkrechte Reaktion ausübt.

Wenn die Bremsen betätigt werden, kommen zusätzlich zum Gewicht des Fahrzeugkörpers zwei äußere Kräfte auf den Fahrgestellrahmen zur Wirkung: Die eine Kraft ist die Trägheit des Fahrzeugkörpers, und die andere Kraft ist der Widerstand der Schienen gegen die Vorwärtsbewegung der Räder. Die Gleichgewichtsgleichungen für irgendeinen Körper sind:

Σ M = o (ι)

Σ FV = ο (2)

IFH = O

(3)

mit anderen Worten, die Summe der von den äußeren Kräften ausgeübten Momente, die Summe der senkrechten Kräfte und die Summe der waagerechten Kräfte muß je gleich Null sein. Wie oben erwähnt wurde, braucht die Gleichung (3) im vorliegenden Fall nicht berücksichtigt zu werden.

Wie Fig. 4 zeigt, stellt F die Tangentialkomponente der von der Schiene auf jedes Rad des Fahrzeugs ausgeübten Kraft dar. Die gesamte vom Fahrzeugkörper auf das Fahrgestell ausgeübte Trägheitskraft beträgt dann 4 F, wenn die Bremsen aller vier Räder angezogen werden, oder 2 F, wenn in der dargestellten Weise die Bremsen eines Vorder- und eines Hinterrades des Fahrgestells betätigt werden. Wenn die Bremsen auf die Räder zur Wirkung kommen, muß folgendes Verhältnis hergestellt sein, um die Bedingungen der Gleichung (1) zu erfüllen:

A Nb — 2Fh = o (4)

wobei Δ N die Änderung der senkrechten Reaktion des einzelnen Rades infolge des Bremsens bedeutet, b die Entfernung zwischen den Achsen und h den Abstand der mittleren Platte 17 von der Schiene. Diese Gleichung kann abgeleitet werden, wenn man die Momente im Uhrzeigersinn um den Punkt, an welchem das Rad die Schiene berührt, den Momenten im Gegenuhrzeigersinn um diesen Punkt gleichsetzt. Da die von der Schiene auf jedes Rad ausgeübte Kraft F durch diesen Punkt hindurchgeht, ist ihr Hebelarm gleich Null, und sie übt daher kein Moment

aus.

So Um Gleichung (2) zu genügen, ist es erforderlich, daß sich die auf das Fahrgestell wirkenden senkrechten Kräfte im Gleichgewicht befinden. Vor dem Bremsen befindet sich die Achse 48 im statischen Gleichgewicht, und dieser Zustand kann durch folgende Gleichung ausgedrückt werden:

W — N = 0 oder W = N (5)

wobei W der Teil des gesamten Gewichts des Fahrzeugs ist, der von jedem Rand getragen wird, und N die Schienenreaktion bedeutet. Wenn das folgende Verhältnis hergestellt werden kann, kann dieser Zustand während des Bremsvorgangs aufrechterhalten werden:

W-AW=N-AN

(6)

Die Kräfte, die während des Bremsens wirken, um das statische Gleichgewicht der Achse zu stören, sind das durch die Trägheit des Fahrzeugkörpers hervorgerufene Drehmoment und die auf den Fahrgestellrahmen infolge der Verankerung der Zugarme 34" ausgeübte Kraft. Wie oben erwähnt, erzeugt die von der Schiene auf jedes Rad ausgeübte Kraftauf das Fahrgestell um den Berührungspunkt zwischen Rad und Schiene kein Drehmoment, so daß A N die durch die Trägheit des Fahrzeugkörpers an der Achse erzeugte Änderung der senkrechten Reaktion bedeutet. Die an der Achse durch das Bremsdrehmoment P p erzeugte senkrechte Reaktion ist gleich P sin Φ, wobei Φ der Winkel ist, den der Zugarm 34" mit der Waagerechten einschließt. Da nur diese beiden Kräfte das senkrechte Gleichgewicht der Achse zu stören suchen, kann Gleichung (6) erfüllt werden, wenn die senkrechte Bremskomponente P sin Φ der Reaktionsänderung A N entgegenwirkend gemacht werden kann. Es wurde gefunden, daß dies erreicht werden kann, wenn man die Bremse am hinteren Teü des Fahrgestells mit einem unter einem entsprechenden Winkel nach vorn gerichteten Zugarm 34^a und die Bremse am vorderen Teil des Fahrgestells mit einem unter einem entsprechenden Winkel nach hinten gerichteten Zugarm anordnet. Wenn man daher in Gleichung (6) für A W den Ausdruck P sin Φ einsetzt, ergibt sich, daß die Bindungen der Gleichung (2) erfüllt werden, wenn das folgende Verhältnis hergestellt werden kann:

W — P 3ίηΦ = Ν—

(7)

Wenn man die Gleichungen (4) und (7) zusammenfaßt, ergibt sich:

2Fh

oder da
daher

AN =

AN = N-W + P sin Φ

N = W Δ Ν = P sin Φ

_, . , 2Fh P sm Φ = —-_Ί —
b

sin Φ

2Fh

Wenn diese Gleichung erfüllt werden kann, erfolgt keine Änderung der Feder- oder Lagerbelastung.

Aus Fig. 5 ergibt sich, daß das resultierende Bremsdrehmoment P in einer Entfernung f von der Mitte

der Achse wirkt. Diese Entfernung kann bei jeder gegebenen Bremsanordnung leicht berechnet werden. Das von der Reibungskraft auf der Schiene entwickelte Drehmoment ist gleich dem Bremsdrehmoment, daher

FR (9)

wobei R den Halbmesser des Rades bedeutet. Mit anderen Worten:

P =

FR

(10)

Wenn man diesen Wert von P in die Gleichung (8) einsetzt, ergibt sich:

sin Φ = -— (ii)

Dies ergibt den größten Winkel, unter dem die Zugarme 34° angeordnet werden sollen, um eine Anderung der Belastung der Lagerfedern während des Bremsens zu verhindern.

Hierzu ist zu bemerken, daß diese Beziehung vollständig unabhängig ist von den Bremsbelastungen und nur abhängt von der geometrischen Beziehung von h, p, R und b, d. h. vom Abstand des Drehzapfenlagers von der Schiene, vom Momentarm der Bremsbelastung, vom Halbmesser des Rades und vom Abstand der Achsen.
Wenn ein Fahrgestell angenommen wird mit einem Abstand b der Achsen von 2,74 m, einem Abstand h der mittleren Platte von der Schiene von 80 cm, einem Halbmesser R des Rades von 44 cm und einem wirksamen Bremshalbmesser p von 28 cm, und wenn diese angenommenen Werte in die Gleichung

(11) eingesetzt werden, ergibt sich, daß der Winkel Φ, den die, Aufhängung 34 mit der Waagerechten einschließt, ungefähr 21,5° beträgt. Dieser Winkel ist mit verschiedener Größe der Fahrgestelle veränderlich, er kann jedoch in ähnlicher Weise als der größte Winkel bestimmt werden, unter welchem der Zugarm angeordnet werden soll, um zu verhindern, daß das Bremsdrehmoment die nachgiebige Aufhängekonstruktion beeinflußt.
Es sollen nunmehr die Reaktionen auf den Fahr-

⁴S gestellrahmen in Betracht gezogen werden. In Punkt 40 der Fig. ι wirkt die senkrechte Komponente P sin Φ links nach unten und rechts nach oben. Die durch die Reaktion des Bremsarms auf den Fahrgestellrahmen erzeugte gesamte waagerechte Kraft ist gleich 2 P cos Φ, die längs der die Achsen verbindenden Mittellinie nach vorn wirkt. Die gesamte auf die Wellenlager nach hinten wirkende waagerechte Reaktion ist gleich 2F + 2P cos Φ, daher beträgt die längs der die Mittelpunkte der beiden Achsen verbindenden Mittellinie nach hinten wirkende resultierende waagerechte Reaktion

2F + 2 P cos Φ — 2 P cos Φ = 2F (i2)

Außerdem ist noch die durch die Trägheit des Fahrzeugkörpers hervorgerufene waagerechte Kraft 2 F vorhanden, die in der Höhe des Abstandes der mittleren Platte des Achsschemels auf dieselbe nach vorn wirkt.

Die Kombination dieser waagerechten Kraft ergibt ein Kräftepaar 2 F (h — R), welches den Fahrgestellrahmen im Uhrzeigersinn zu drehen sucht.

Diesem Kräftepaar wird von dem Kräftepaar P sin Φ mal dem waagerechten Abstand zwischen den Stützpunkten der Arme 34* (Punkte 40 vorn und hinten) entgegengewirkt.

Der Momentarm des entgegenwirkenden Kräfte-

. , ' 2*
paars ist 0 r^J-*r.

Daher

2F(h — R) = Psin<P6 — -^ (13)

zF{h-—R)-= Pb sin Φ — 2 Pf Da nach Gleichung (9)

ergibt sich
daher ist

= Pl sin Φ 2Fh

sin Φ =

Pb

und wenn man nach Gleichung (10) setzt

FR

so erhält man

P =

sin Φ =

2hp ~Rb~

was mit der früheren Ableitung übereinstimmt [Gleichungen (8) und (ti)].
Mit dem auf irgendeine oben angegebene Weise

abgeleiteten Wert

für sin Φ ist es sehr einfach,

den Wert X (Abstand des Punktes 40 von der Achse) zu bestimmen:

ν ¹P f^Rh

X =

sin Φ
Rb

2hp

2 h

Wenn man in Gleichung (15) die oben angegebenen Werte einsetzt, erhält man X = 76 cm. Mit anderen Worten, um den FahrgesteUrahrnen im Gleichgewicht zu halten, wenn die Bremsen angezogen werden, müssen die durch die Bremsung hervorgerufenen Kräfte P für die angenommenen Abmessungen in einer Entfernung von 76 cm von den Achsen auf der die Achsen verbindenden Mittellinie zur Wirkung kommen. .

Claims (2)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   i. Bremsanordnung für abgefederte Fahrzeuge mit mindestens zwei Achsen, insbesondere für Schienenfahrzeuge, bei der mit dem Rahmen verbundene Bremskörper am Umfang von für

   beide Achsen getrennt vorgesehene Scheibenbremsen angreifen, dadurch gekennzeichnet, daß die am Umfang der Scheibenbremsen (25) angreifenden Bremskörper (26) durch schräg nach innen gerichtete Arme (34) an Querträgern (40) des Fahrzeugrahmens (10) angreifen und beim Bremsen das Drehmoment aus der an den Vorderrädern auf die Verbindungsstelle am Rahmen ausgeübten und aufwärts gerichteten Kraftkomponente und der an den Hinterrädern entsprechend abwärts gerichteten Kraftkomponente im wesentlichen gleich und entgegengesetzt dem beim Bremsen auf den Rahmen ausgeübten Drehmoment ist, das durch die Trägheit des Fahrzeugkörpers und die an den Schienen auf die Räder wirkende Reibungskraft entsteht.
2. 2. Bremsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Bremsmomentübertragungseinrichtungen so vorgesehen sind, daß die Resultierende aus dem Bremsmoment einen solchen Winkel zur Horizontalen einnimmt, daß die vertikalen Kraftkomponenten als gleich große und entgegengesetzt gerichtete Kraftpaare auf den Rahmen einwirken.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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