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Achssteuerung für zweiachsige Schienenfahrzeuge Die Erfindung bezieht
sich auf eine Achssteuerung für zweiachsige Schienenfahrzeuge, die einzeln oder
im Zugverband laufen, und bezweckt die möglichst radiale Einstellung der Achsen
entsprechend der Krümmung des jeweils durchfahrenen Bogens oder darüber hinaus auch
die Ermöglichung einer Über- bzw. Untersteuerung der Achsen beim Bogenlauf in gewünschter
Abhängigkeit von der Fahrgeschwindigkeit.
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Das Problem der Achssteuerung bei Fahrzeugen und Zügen ist nicht neu.
Es sind bereits Vorschläge bekanntgeworden, im Zugverband laufende Fahrzeuge dadurch
zu steuern, daß der vorauslaufende Wagen eine Steuerwirkung auf den nachfolgenden
Wagen ausübt. Bauarten von zweiachsigen Fahrzeugen mit einachsigen Drehgestellen
ziehen den Spurkranzdruck der Räder beim Einlauf in die Kurve zur Steuerung heran.
Nach weiteren Vorschlägen wird für zweiachsige Fahrzeuge vorgesehen, die Fliehkraftwirkung
oder auch die Drehträgheit eines gegenüber dem Untergestell beweglich aufgehängten
Wagenkastens zur Steuerung der Achsen zu benutzen.
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Die Erfindung bezieht sich demgegenüber auf eine Achssteuerung für
zweiachsige Fahrzeuge, bei der ein Kreisel dazu benutzt wird, einen Steuerausschlag
bei der Kurvenfahrt herbeizuführen. Hierbei ist gemäß der Erfindung vorgesehen,
durch Einschaltung eines zweiten Steueraggregats, das nur von der Fahrgeschwindigkeit
beeinflußt wird, beispielsweise eines Fliehkraftreglers, den vom Kreisel gelieferten
Ausschlag so zu berichtigen, daß der Steuerausschlag nur noch der jeweils durchfahrenen
Krümmung entspricht oder daß darüber hinaus auch eine Über- bzw. Untersteuerung
der Radsätze beim Bogenlauf in gewünschter Abhängigkeit von der Fahrgeschwindigkeit
erreicht wird.
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Damit die Abmessungen des Kreisels in niedrigen Grenzen gehalten werden
können, werden nach einem weiteren Gedanken der Erfindung Kreisel und zweites
Steueraggregat
nur zur Einleitung des Steuerausschlags mit geringer Kraftwirkung benutzt; zur kraftmäßigen
Übersetzung bzw. zur Herbeiführung der für die erforderliche Achseinstellung bei
der Kurvenfahrt erforderlichen Kraft ist die Einschaltung eines Servomotors, zweckmäßig
hinter Kreisel und zweitem Steueraggregat, vorgesehen. Um den Steuermechanismus
gemäß der Erfindung bei Fahrtrichtungswechsel ohne Veränderungen an dem Kreiselantrieb
benutzen zu können, wird gemäß der Erfindung der vom Kreisel gelieferte und vom
zweiten Steueraggregat berichtigte Steuerausschlag auf zwei symmetrisch zum Steuerpunkt
angeordnete Servomotoren übertragen, von denen für jede Fahrtrichtung jeweils nur
.einer in Tätigkeit ist.
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In der Zeichnung ist der Gegenstand der Erfindung in vier Abbildungen
dargestellt.
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Abb: i zeigt die beispielsweise Anordnung eines zweiachsigen Fahrzeugs
mit einachsigen Deichselgestellen im Grundriß; Abb. 2 zeigt eine Ansicht zu Abb.
i, teilweise im Schnitt; Abb.3 zeigt das Prinzip der Steuerung durch Kreisel und
zweites Steueraggregat, in der vorliegenden Ausführungsform durch Kreisel und Fliehkraftregler;
Abb.4 stellt eine zweckmäßige Ausführungsform für einen an sich -bekannten Servomotor
im Längsschnitt dar.
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Wie aus den Abb. i und ä ersichtlich ist, trägt jede Achswelle i,
2 der Radsätze in ihrer Mitte ein Lager 3, 4, mit dem der Drehzapfen 5, 6 des Wagenkastens
umfaßt wird: Die Abfederung der Radsätze geschieht zweckmäßig durch freie Schraubenfedern
7, die sich auf Rollenlager 8 der Achswelle abstützen. Mit den Gehäusen der Rollenlager
8 starr verbunden sind die Deichseln 9, io, die an dem Steuerpunkt G in einer Kastenführung
ii seitlich ausschlagen können. Beide Deichseln 9, io werden an dieser Stelle in
Langlöchern, die in Fahrzeuglängsrichtung verlaufen, durch einen Bolzen 12 gefaBt,
der in einer Doppelgabel 13 gelagert ist, die über die Steuerstange 14 bzw. 14"
die Ausschlage des Servomotors 15 bzw. 15a überträgt. Da die Radsätze und mit ihnen
die Deichseln 9, io sich unter dem Einfluß von Schienenunebenheiten um die Wagenlängsachse
drehen können, sind die Drehzapfenlager 3, 4 kugelbeweglich ausgeführt. Um die Drehungen
nicht auf das gemeinsame Gelenk am Steuerpunkt G zu übertragen, sind in die Deichseln
9, io Drehgelenke 16, 17 eingebaut.
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Konstruktiv sind auch andere Lösungen möglich, z. B: dadurch, daß
die Steuerausschläge nicht an einem den beiden Gestellen g, io gemeinsamen Steuerpunkt
G in gleicher Größe angesetzt werden, sondern-daß die Steuerausschläge an jedem
der beiden Gestelle getrennt angreifen. Es ist hierbei die Möglichkeit gegeben,
beide Radsätze in gleicher oder aber verschieden einstellbarer Größe zu steuern.
Die Übertragung der Steuerausschläge kann, mechanisch, pneumatisch, hydraulisch
oder durch eine Kombination von zwei oder mehreren dieser Arten erfolgen.
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Zu der Anordnung der in Abb. 3 im Prinzip dargestellten Steuerung
und ihrer Wirkungsweise wird folgendes bemerkt. Der Kreisel 18 rotiert um die Rotationsachse,
die quer zum Fahrzeug liegt. Die Rotationsachse- ist an einer Seite in einem um
die Wagenlängsachse drehbaren Lager i9 gelagert, auf der anderen Seite wird ihr
Lager durch die Steuerfedern 21 in der Mittellage gehalten, kann sich aber unter
der Einwirkung des Kreiselrückdruckes in der lotrechten Führung 2o in der Fährzeugquerebene
auf und ab bewegen, d. h. die Rotationsachse ist in lotrechter Richtung beweglich,
in: Richtung der Wagenlängsachse jedoch unbeweglich gegenüber dem Wagenkasten. Fährt
nun das Fahrzeug in, durch den oder aus dem Bogen, so wird die Rotationsachse des
Kreisels 18 in der waagerechten Ebene verdreht, wodurch der Kreisel einen Rückdruck
hervorruft, der die Rotationsachse des Kreisels gegen die Kraft der Steuerfedern
21 hebt oder senkt. Der Rückdruck bzw. die Steuerkraft, die der Kreisel aufbringt,
beträgt
wobei J Trägheitsmoment des Kreisels, co Winkel" geschwindigkeit des Kreisels, k
freie Länge der Rotationsachse des Kreisels, ä'p Winkelgeschwindigkeit der Drehung
bedeuten.
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Die Winkelgeschwindigkeit der Drehung ist aber
wobei v Fortschrittsgeschwindigkeit des Kreisels im Gleisbogen, d. h. Fahrgeschwindigkeit,
R Bogenhalbmesser bedeuten.
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Mit diesen Größen lautet also Gleichung (i)
oder für einen bestimmten Kreisel mit der Kreiselkonstanten ca
Bei einer geraden Kennlinie c£ der Steuerfedern 21 des Kreisels 18 ist der Steuerausschlag
ea direkt proportional. der Steuerkraft, also
Durch Einsetzen von Gleichung (i b) ergibt sich
Für einen bestimmten Kreisel gilt also
d. h. der Kreiselausschlag ist eine Funktion von Fahrgeschwindigkeit und Krümmung
des Gleisbogens.
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Dieser von Kreisel 18 gelieferte Ausschlag wird auf das eine Ende
eines Hebels 22 übertragen, von dessen anderem Ende er im Verhältnis der Hebelarme
a und b
abgenommen und über die Winkelhebel 23 und
23,
in die Servomotoren (Verstärker) 15 und 15a eingeleitet wird, von denen
jeweils nur einer entsprechend der Fahrtrichtung in Tätigkeit ist, und zwar dadurch,
daß das Druckmittel nur dem jeweils der Fahrtrichtung zugehörigen Servomotor zugeführt
wird. Der mit nur geringer Kraftwirkung eingeleitete Ausschlag ee, wird in der gleichen
Größe, aber mit verstärkter Kraftwirkung über die Steuerstange 14 bzw. 14" auf den
Steuerpunkt G der beiden Deichseln 9 und io weitergeleitet.
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Es ist also
oder durch Einsetzen der Gleichung (2 a)
Als zweites Steueraggregat dient in der vorliegenden Ausführungsform ein von der
Achswelle i oder 2 eines Radsatzes angetriebener Fliehkraftregler 24, dessen Muffenbewegung,
abhängig von der Geschwindigkeit v, direkt oder über einen Zwischenhebel 25 zur
Verschiebung des Hebeldrehpunktes D herangezogen wird, so daß das Übersetzungsverhältnis
nun nicht mehr eine feste Größe, sondern abhängig von der Geschwindigkeit v ist.
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Es ist also
Durch Einsetzen der Gleichung (4) in Gleichung (3) ergibt sich
oder, bei richtiger Abstimmung der Funktionen,
d. h. der wirksame Steuerausschlag ea ist proportional der Krümmung; die Achsen
werden also, unabhängig von der jeweiligen Fahrgeschwindigkeit, den auftretenden
Querkräften und der Gleisüberhöhung, der jeweiligen Krümmung entsprechend eingesteuert.
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Falls ein gewisser Einfluß der Fahrgeschwindigkeit auf die Steuerwirkung
erwünscht ist, z. B. zwecks Übersteuerung der Radsätze bei hoher Fahrgeschwindigkeit,
so kann dies durch entsprechende Änderung der Kennlinie cF der Steuerfedern 21 des
Kreisels 18, der Kennlinie des Fliehkraftreglers 24 und bzw. oder der Übersetzung
der Muffenbewegung des Fliehkraftreglers erreicht werden.
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Als zweites Steueraggregat kann statt eines Fliehkraftreglers 24 auch
ein anderes Gerät verwendet werden, das einen Ausschlag in Abhängigkeit von der
Fahrgeschwindigkeit erzeugt, der zur Berichtigung des Kreiselausschlags herangezogen
wird, z. B. ein Geschwindigkeitsmesser (Tachometer), eine von der Achswelle eines
Radsatzes angetriebene Kreiselpumpe, deren Druck gegen eine mit entsprechender Kennlinie
ausgestattete Feder wirkt, u. a.
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Beim Lauf in der Geraden wird der Steuerpunkt G der Deichseln 9, io
durch den ständig auf den Servomotor 15 bzw. i5, wirkenden Druck mit einer großen
Kraft in der Mittellage gehalten, so daß Auslenkungen als Rückwirkung von Schienenrichtkräften
usw. nicht erfolgen. Durch entsprechende Bemessung der Steuerfedern 21 des Kreisels
18 wird erreicht, daß Ausschläge durch Schwingungen während des Laufs in der Geraden
nicht eintreten.
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Der Kreisel 18 kann in bekannter Weise durch einen Elektromotor, durch
Druckluft oder auf sonstige Weise mit konstanter Winkelgeschwindigkeit (o angetrieben
sein.
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Der in Abb. 4 dargestellte Servomotor besteht aus dem am Fahrzeug
befestigten Zylindergehäuse 26 mit der Druckmittelzuführung 27, dem verschiebbaren
Arbeitskolben 28 und dem hierin gleitenden Steuerschieber 29, auf dem fünf Steuerkolben
30, 31" und 34, 32u und 32b sitzen. Die Wirkungsweise des Servomotors ist folgende.
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Der über den Winkelhebel 23 eingeleitete Steuerausschlage,7
bewegt den Steuerschieber 29 mit geringer Kraft z. B. nach rechts in Abb. 4. Dabei
gibt der Steuerkolben 3o den Kanal 33 für die Druckmittelzuführung frei und verbindet
diesen über den Raum zwischen den Steuerkolben 30 und 34 mit dem Kanal 34a,
der das Druckmittel auf die linke Seite des Arbeitskolbens 28 führt. Gleichzeitig
schließt der Steuerkolben 32a den Entlastungskanal 35" ab, so daß das Druckmittel
nicht entweichen kann und den Arbeitskolben 28 nach rechts drückt. Das auf der rechten
Seite des Arbeitskolbens befindliche entspannte Druckmittel kann durch die Entlastungskanäle
35b und 36b entweichen. Der Arbeitskolben bewegt sich so lange nach rechts, bis
der Kanal 33 für die Druckmittelzuführung durch den Steuerkolben 30 wieder
abgeschlossen und gleichzeitig der En.tlastungskanal35a durch den Steuerkolben 32a
freigegeben wird, so daß sich das auf der linken Seite des Arbeitskolbens befindliche
Druckmittel über den Entlastungskanal 36" entspannen kann. Der Entlastungskanal
37 sorgt dafür, daß auf der linken Seite des Steuerschiebers 29 infolge geringfügiger
Spaltverluste kein Überdruck entstehen kann. Der Arbeitskolben legt also den gleichen
Weg ea wie der Steuerschieber zurück, gibt diesen Ausschlag aber mit großer Kraft
an die Steuerstange 14 weiter.
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Als Druckmittel für den Servomotor kann Druckluft oder eine Druckflüssigkeit
dienen, deren Druck zweckmäßig unabhängig von der Fahrgeschwindigkeit ist.
Durch
entsprechende Wahl der Überdeckung kann die Empfindlichkeit des Servomotors bestimmt
werden.