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Abfederung der Wiege eines Drehgestelles, insbesondere für Schienenfahrzeuge
Die Erfindung bezieht sich auf eine Abfederung der Wiege eines Drehgestelles, insbesondere
für Schienenfahrzeuge, und hat die Aufgabe, ein Fahrzeug mit besseren Fahreigenschaften
zu schaffen, das sich sowohl für den Betrieb auf Schienen mit hoher Geschwindigkeit
als auch für einen Betrieb mit niedriger Geschwindigkeit auf Straßen eignet. .Die
Abfederung gemäß der Erfindtung zeichnet sich du-rc:h eine sehr vereinfachte Konstruktion
aus, indem sie nur einen .einzigen Satz Hauptfedern aufweist. Sie ist billig herzustellen,
hat nur eine geringe Anzahl von Schmierstellen und eine lange L eb p -ns,dauer bei
niedrigen Unterh , altungskosten.
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Erfindungsgemäß ist die Wiege auf dem Dreh gestellrahmen ausschließ,li,ch
mittels einer Federanordnung .abgestützt, ,deren Federn unter sem@crechter und unter
waagerechter Belastung verschiedene Federcharakteristiken haben. Die Federanordnung
dient also nicht nur der Federung zwischen Wagenaufbau und Radachsen, sondern sie
hat auch die Funktion der sonst üblichen Wiegenpendel. Dies wird durch die verschiedenen
Federcharakteristiken unter senkrechter bzw. waagerechter Belastung möglich, wodurch
man .auch den verschiedenen statischen und dynamischen Kräften Rechnung tragen kann,
welche sich aus .dem Gewicht des Fahrzeugaufbaues und dessen wechselnder Nutzlast,
den Unregelmäßigkeiten der Schienen, dem Wind- oder Kurvendruck usw. ergeben.
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Um sowohl unter leichter als auch unter ischwerer Belastung gleichmäßig
gute Fahreigenschaften zu sichern., empfiehlt es sich, die Federn gemäß einer
resultierenden
Federwegkurve zu konstruieren, bei der der Winkel der Tangenten mit der Belastung
wechselt. Die Beziehung der Feder zu den Fahreigenschaften des Wagens ist derart,
daß bei. Federn, welche ein gekrümmtes Belastung-Federweg-Verhältnis haben, die
Rückdrücke in :der gleichen. Weise auftreten, als wenn die Federn eine geradlinige
Federwegkurve hätten, die die resultierende Kurve .an der Stelle tangiert, welche
der Belastung entspricht. An dieser Stelle sind die Fa.:hreigenschaften durch den
Federweg der Feder mit geradliniger Federwe@kurve gekennzeichnet. Infolgedessen
wird im Falle einer resultierenden Federwegkurve .die Fahreigenschaft durch die
Projektionder Tangente dieser Kurve auf die Abszisse gekennzeichnet. Die Länge .dieser
Projektion wird äquivalenter Federweg genannt, weil es der Federweg. einer geradlinigen
Feder mit äquivalenten Eigenschaften ist.
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Beim Massentransport von Menschen isst die Belastung nicht feststehend,
sondern sie wechselt, so. daß Federn mit konstantem äquivalentem Federweg unter
schwerer Belastung weicher fahren würdlen. Es ist eine weitere Aufgabe der Er ndung,
Federn zu schaffen, die den .Fahrgästen gleichbleibende Fahreigenschaften gewähren,
die also, bei wachsender Belastung einen immer kleineren äquivalentem Federweg halben.
Es hat sich gezeigt, daß der äquivalente Federweg proportional mit dem Verhältnis
der Belastung .mit den Fahrgästen zu dem Totgewicht der gefederten. Masse vermindert
werden kann. So ist es beispielsweise dann, wenn die Belastung durch die Fahrgäste
(Nutzgewirkt) ,dem Gewicht des Fahrzeugaufbaues (Leergewicht der abgefederten Masse)
gleichkommt und die Federbelastung sich somit insgesamt verdoppelt hat, zulässig,
den äquivalenten Federweg unter dieser Gesamtbelastung auf die Hälfte des äquivalenten
i Federweges bei leerem Fahrzeug einzustelle@n.
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Eine resultierende Kurve kann man auf verschiedene Weise erzielen,
beispielsweise durch Versendung von Schrlaubenfe:dern mit verschiedener Steigung;
durch Kombination von Blattfedern, durch. Verwendung von Federgruppen, die nacheinander
in Tätigkeit treten, usw. Zweckmäßig findet eine Kombination von Schrauben- und
Gumirnifedern Verwendung, weil dadurch eine gedrängte und. wirtschaftliche Anordnung
möglich ist., weil .der Gummi eine Schwingungen und Geräusche abdämpfende Wirkung
hat, weil die Gegenwirkung von Gummi keine so schnelle ist wie diejenige von Schraubenfedern,
so daß die Gegenwirkungen der Kombination sich nicht genau überlagern, und weil
die Schraubenfedern .den Gummi bei -leerem Fahrzeug entlasten und, man so ldie Lebensdauer
des Gummis verlängern kann.
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In der Zeichnung, die der weiteren Erläuterung der Erfindung dient,
sind zwei Ausführungsbeispiele gezeigt. Es ist Fig. i eine schematische Darstellung
einer üblichen in Schwingpendeln bzw. Lenkern aufgehängten Wiege, Fig.2 eine schematische
Ansicht einer üblichen Wiege, die au.f,Schwingpendel abgestützt ist, welche mit
ihren unteren Enden an ihrem ,Stützpunkten angelenkt sind, Fig. 3 ein Grundriß eines
ersten Ausführungsbeispiels mit einer Wiege und nebeneinander angeordneten Wiegenfedern,
Fig.4 eine Seitenansicht der Wiege und der Wiegenfedern nach Fig. 3, Fig. 5 ein
Ilotrechter Schnitt nach der Linie 5-5 in Fig. 3, Fig. 6 ein lotrechter Schnitt
nach der Linie 6-6 in Fig.:3b Fig. 7 ein lotrechter Schnitt durch die Wiege eines
zweiten Ausführungsbeispiels, die von einer einzigen Federanordnunggetragen wird,
welche die zwei in Fig. 5 und 6 dargestellten Federn ersetzt, Fig. 8 ein in vergrößertem
Maßstab gezeichneter lotrechter Schnitt @durch .die Federanordnung auf der rechten
Seite der Fig. 7, Fig. 9 eine ,Seitenansicht eines Drehgestelles. mit Wiege- und
Federanordnung nach Fig. 7 und 8, Fig. io ein 4Grundriß des Drehgestelles nach Fig.9.
Fig. i i eine Darstellung der Belastung-Federweg-Kurve der Federn gemäß der Erfindung
bei senkrechter Belastung.
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In Fig. i ist eine übliche Bauart einer Wiege dargestelilt. Darin
ist i .die Wiegentraverse, während 2 die darin mit ihren unteren Enden bei 3 angelenkten
Schwingpendel bzw. Lenker sind, weiche mit ihren. oberen Enden mit den Hauptrahrnentei-len4
in Gelenkverbindung stehen. Das Drehzapfenlager ist nicht dargestellt. Es wird von
der Traverse i getragen und nimmt einen Drehzapfen auf, mit welchem der Wagenaufbau
mit der Traverse i in Verbindung steht. Wie aus der Zeichnung ersichtlich, laufen
die Schwingpendel 2 gemäß .bekannten Bauarten nach oben zusammen.
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Fig. 2 ,zeigt .eine Wiegentraverse 5, die bei 6 mit zwei Lenkern 7
gelenkig verbunden ist. Jeder Lenker 7 ist bei 8 mittels einer Gelenkverbindung
auf den Seitenträgern 9 des Drehgestelles abgestützt. Die Federn io zwischen den
Enden der Traverse 5 und den Seitentrügernr 9 sorgen dafür, :daß die Traverse nach
einer seitlichen Verlagerung wieder in ihre Mittelstellung zurückkehrt.
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Die Gleichgewichtsbedingungen--der Traverse i in Fig. i und, der _Traverse
5 in Fig. 2 sind genau die gleichen, -und bei entsprechender Wahl der Kennlinie
der Federn roi ist die Größe der nach einer seitlichen Verlagerung .der Traverse
auftretenden Rückstellkräfte in Fig. i und 2 auch genau gleich. Dies ist leicht
mathematisch @zu beweisen, doch sind die Gleichungen zwecks Abkürzung der Beschreibung
weggelassen.
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Die Konstruktion nach Fig. 2 hat keinen. Vorteil gegenüber der Konstruktion
nach Fig. i und ist nur aufgenommen, um ihre Gleichwertigkeit zu zeigen. Die Konstruktion
nach Fig. 2 kann jedoch gegenüber der üblichen Konstruktion nach Fig. i große und
wesentliche Vorteile haben, wenn, was erfindungsgemäß vorgesehen, ist, .dieLenker
federnd
ausgebildet sind und als Fahr-gestellhauptfedern dienen,
da dann die Lenker mit ihren Gelenken weggelassen werden können, was wiederum andere
Vorteile mit sich bringt.
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Im allgemeinen ist es zweckmäßig und vielleicht :erforderlich, an
jedem Ende der Wiege mehr als eine Feder vorzusehen, wobei einige der Federn so
berechnet sind, daß sie die erforderliche seitliche Rückstellkraft liefern, während
die ,anderen nur für die notwendige lotrechte Elastizität sorgen, ohne seitliche
Rückstellkräfte zu erzeugen. Eine solche Konstruktion ist in Fig. 3 bis 6 dargestellt.
Nach diesen wird eine Wiege i i an jedem Ende von zwei Federn 12, 13 bzw. 14, 15
:getragen. Die Federn: stützen -sich alle auf Seitenträger ig eines Drehgestell
auptrah.mens .ab. Die Wiege besitzt eine lange Buchse 16 mit :einem Lager 17 für
den Drehzapfen eines nicht dargestellten Wagenkörpers.
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Die diagonal gegenüberliegenden Federn 12 und 14 sind gleich und-
in Fi@g..5 :dargestellt, während die Anordnung der anderen beiden Federn 13 und
15, die ebenfalls gleich sind, Fig.6 entnommen werden kann.
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Wie Fig. 5 zeigt, ruhen die Federn 12 fest auf dem Seitenträger ig,
während ihr anderes Ende in eine Kappe 20 mit einem daran, sitzenden Zapfen 21 eingreift,
der sich in einer Ausne!hmung 18 in der Wiege i i ,abstützt.
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Gemäß Fig. 6 greift das untere Ende der Feder 13 in eine Kappe 22
mit einem: daran sitzenden Zapfen 23 ein, der in einer Ausnehmung 24 in dem .Seitenträger
ig abgestützt ist.,Das obere Federende ist in ähnlicher Weise in einer Kappe 25
mit einem .daran sitzenden, irr einer Ausnehmung 27 abgestützten Zapfen 26 untergebracht.
Die Achsen aller Zapfen 2,1, 23, und 26 stehen senkrecht zu der Ebene, in der die
Wiege i i schwingt.
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,Alle Federn 12, 13., 14 und 15 setzen lotrechten Kräften einen Widerstand
entgegen und nehmen zusammen an den'l1otrechten federnden Bewegungen der Wiege ii
gegenüber den Seitenträgern' ig teil. Wenn seitliche Relativbewegungen zwischen
der Wiege und den Seitenträgern .auftreten, .so bleiben die unteren Windungen der
Federn 12 und 14 .mit den Seitenträgern ig in Berührung, während die Kappen: 20
und die oberen Windlungen dieser Federn der seitlichen Bewegung so weit folgen,
als dies die Zapfen 2i und, die Ausnehmungen 18 gestatten, wobei die Mittellinien
der Schraubenwindungen :der Federn 12, 14 ausbiegen und ein seitlicher Gegendruck
.erzeugt wird, welcher der Verbiegung Widerstand leistet und dafür sorgt, daß die
Wiege in ihre Ausgangsstellung zurückgeführt wird. Die Federn 13 und 15 entwickeln
jedoch nicht einen solchen Seitendruck, :da die beiden Kappen. 22 und, 25 .sich
.auf ihren Zapfen 23 und 26 abstützen und parallel rniteinunder bleiben, so daß
die Mittellinie jeder Schraubenfeder 13, 15 geradebleibt.
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In. Fig. 7 und 8 ist eine abgeänderte und bevorzugte Ausführungsform
einer Wiegenunterstützung dargestellt, bei welcher die beiden Federn an. jedem Ende
der Wiege (Fig. 3 bis 6) durch eine einzige Federanordnung ersetzt sind. In diesem
Falle ist die Wiege 28 mit einer mittleren Buchse 2g zur Aufnahme des Drehzapfens
des Fahrzeugaufbaues und mit einzelnen Fe.der:aufnahmetöpfen 3o an jedem Ende,der
Wiege versehen. Jeder Topf 30 hesitzt einen damit verbundenen Zapfern 3 i,
der in, eine Ausnehmung 3,2 einer Federkappe 33 eingreift. Die Kappe 33 .kann somit
bei seitlichen, jedoch nicht bei vorwärts und rückwärts gerichteten Relativbewegungen
Schwenkbewegungen gegenüber der Wiege rausführen. Die Unterseite jedes Topfes ist
über den größeren Teil seiner Fläche im wesentlichen horizontal, während die Oberseiten
der Kappe 33 von -den Kanten der Ausnehmung 32 ab schräg nach unten verlaufen, um
so die vorerwähnte Schwenkbewegung zu ermöglichen.
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Die Unterseite der Kappe 33 besitzt nahe dem Rand einen Flansch 34,
welcher einen Sitz 35 für eine Schraubenfeder 36 von einem Sitz 3.7 für eine zweite
Schraubenfeder 38 trennt. In der Mitte der Unterseite der Kappe 33 ist eine konvexe
kugelförinige Reibungsfläche 39 vorgesehen, auf der sich eine Zwischenlage
4o aus einem eine Reibwirkung hervorrufenden Material befindet, in der eine zweite
Kappe 41 sitzt.
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Die Kappe 41 hat einen oberen Mittelteil 42 in Gestalt einer Kugelkappe,
.deren Radius ein wenig kleiner ist als -derjenige der Fläche 39. . Die Unterseite
der .Kappe 41 hat die Form eines Kegelstumpfes und- nimmt das obere Ende eines Stapels
von Teilen 46 aus Gummi oder einem ähnlichen Material .auf. Jeder dieser Teile 46
hat innen und außen kegelstumpfförmige Gestalt, und jeder ist von dem nächsten :durch
eine dünne Metallzwischenlage 46' getrennt. Durch die Mitte der Gummiteile 46 und
der Metallzwischenlagen 46' geht ein Bolzen43 hindurch, der durch die Kappe41 hindurchgeführt
und mit dieserverschtweiß:tist. Der Bolzen 43 hat zum Zweck der Anlage an der Zwischenlage
40 einen .abgerundeten Kopf. Nach unten ragt der Bolzen 43 durch eine Öffnung 44
in :dem Seitenrahmenteil 45 hindurch, wobei :die Öffnung 44 größer ist als der Durchmesser
des Bolzens, so daß der Bolzen 43 mit der Kappe 41 frei schwenken kann.
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Der unterste der Gummiteile 46 ruht auf einer dritten Kappe 47. Diese
hat eine erweiterte Mittelöffnung 48., so daß der Bolzen 43 frei durch diese Öffnung
hindurchgehen und darin seitliche Schwenkbewegungen ausführen kann. Die Oberseite
der Kappe 47 ist in der Mitte kege@l,stum;p.ffÖrmig, so .daß der benachbarte Gummiteil
46 auf die Kappe spaßt. Nach außen, zu schließt sich an den kegelstumpfförmigen
Teil ein Begrernzungsflansch 4g an., außerhalb dessen die Feder 3$ ihren Sitz findet.
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Die Unterseite der Kappe 47 hat eine runde Ausnehniung 50, .die in
ihrer Länge durch die Öffnung 48 unterbrochen ist. Der Rest der Unterseite der Kappe
47 ist von der Ausnehmung 5o ab nach oben hochgeführt.
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In die Ausnehmung 5o greifen halbzylindrische Zapfenteile 51 ein,
die ,an gegenüberliegenden
Seiten der Öffnung 44 von dem. Seitenrahmen
45 ,getragen werden. Außerhalb der Öffnung 44 und konzentrisch zu dieser steht mit
den Seitenrahmen ein Federhafeflansch 52 in Verbindung, außerhalb dessen: die unterste
Windung der Feder 36 auf dem Rand oder Sitz 54 aufruht. Arbeitsweise der Wiege Bei
der statischen lotrechten Belastung wird das Gewicht des Fahrzeugaufib,aues von
deim Drehzapfen über das Lager 53 (Fig.io) der Buchse 29 auf die Wiege 28 übertragen.
,Diese Belastung und alle lotrechten. Relativbewegungen zwischen den Seitenrahmenteileni
45 und der Wiege 2f8 bewirken eine Zusaimmendrückung der Federn A,38 und
46. Eine Bewegung der Kappen 33 -gegenüber den Federtöpfen 30 und der Kappen 47
gegenüber den Seitenrahmenteilen 45 findet nicht statt. Wenn das Fahrzeug leer ist,
-können die Gummifedern 46 in weitem Maße oder zweckmäßigerweise vollständig unbelastet
sein, so .daß die Gesamtbelastung zusammen nur von den Federn 36 und 318
getragen wird!. Bei wachsender lotrechter Belastung wirken alle drei Federn 36,
38, 46 -zusammen; ihre Federwegkurve ist in Fig. i i dargestellt, in welcher die
waagerechte Achse den Federweg und die lotrechte Achse die Belastung darstellt.
Die Linie -A zeigt die kombinierte Belastung-Federweg-Kurve der Federn 36 und 38,
während die Kurve B die Belastung-F@ederweg-Kurve der Federn 46 und die Kurve C
die zusammengesetzte, die Abhängigkeit des Federweges von. der lotrechten Belastung
bei der ganzen Federanordnung zeigende Kurve darstellt. Wie man sieht, wird bei
wachsender Belastung die, Projektion des Abschnittes einer Tangente, der von einem.
beliebigen Punkt der Kurve bis zu dem Schnitt der Tangente mit der waagerechten
Achse reicht, schrittweise gekürzt. Das Verhalten der Federn .beim Zurückgehen der
Belastung ist nicht dargestellt. Es genügt zu sagen, daß dlie Däm!pfungswirkungdes
Gummis einen Teil der Kompressionsenergie absotbiert und ein Teil des Restes von
nicht dargestellten Stoßdämpfern aufgenommen wird.
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Waagerecht in und entgegengesetzt zur Fahrtrichtung wirkende Kräfte
zwischen dem. Wagenaufbau und denn Drehgestell werden durch die oberen, und, unteren
Zapfen 31 und 51, .durch die oberen und unteren Kappen 41 und 47 und durch die Federn.36,.38
und 46 übertragen. Zusätzliche Mittel können ebenfalls vorgesehen werden. Zwischen
der Kappe 33 und der Wiege 28 und zwischen der Kappe 47 und dien Seitenrahmenteilen
45 findet in dfieser Richtung keine Relativbewegung statt.
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Wenn seitliche Kräfte eine seitliche Relativbewegung der Wiege 28
gegenüber den Seitenrahmenteilen 45 verursachen, so bewirken die Zapfens 31 eine
entsprechende seitliche ,Bewegung der Kappen 33. Da die Sitze 5,4 und die Zapfen
51 in bezug auf die Seitenrahmenteile q;5 ortsfest sind, so. schwenken die Kappen:
33 auf den. Zapfen 3 i. Der Radius der Ausnehmung 32 ist größer als dexjenige des
Zapfens 31, um zu ermöglichen, daß diese Bewegung teilweise durch Abrollen statt
nur durch Gleiten. stattfindet. Wenn die Kappen 3,3 bis in ihre Endstellung schwenken,
so kommt ein Teil der oberen,Schrägfläche jeder Kappe. mit dem Boden des Topfes
3o in Berührung, wie dies in Fig. & in strichpunktierten; Linien gezeigt ist.
Bis -zu dieser Stellung setzen jedoch weder die Federn 38 noch die Federn46 der
seitlichen Bewegung einen Widerstand da die Schwenkbewegung der Kappen 33 eine ähnliche
Schwenkbewegung der unteren Kappen.47 bewirkt. Bemerkt sei, daß zwischen. den Kappen
33 und den Töpfen; 3-0 keine Berührung stattfinden wird, ausgenommen bei sehr starken
seitlichen Bewegungen der Wiege 2$, Der Rand jedes Topfes 30 .bildet eine
nach unten ragende Lippe68' (Fig. 7), die einen Anschlag für dieWiege 28 ;bildet,
indem eine dieser Lippen gegen die ;benachbarte Feder 36 stößt. Diese Berührung
kann gleichzeitig mit oder ein wenig vor der etwaigen Berührung einer der Kappen
3,3 mit einem Topf 30 stattfinden.
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Ein Drehgestell mit der verbesserten Wiege und der verbesserten Wiegenlagerung
ist in Fig. 9 und io dargestellt.