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Achssteuerung für Schienenfahrzeuge Bekannt sind eine Reihe von konstruktiven
Maßnahmen, die die Einsteuerung von Achsen und Achsgruppen (Drehgestellen) in Krümmungen
erleichtern bzw. sicherstellen sollen. Angefangen von der sogenannten freien Lenkachse
über Achssteuerungen von Dreiachsfahrzeugen _mit die Lenkachse steuernder Mittelachse
oder Drehgestellen bis zu den modernen Versuchszügen mit Deichselachsen kennt der
Fachmann eine ganze Anzahl von Versuchen, das Achssteuerungsproblem zu meistern.
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Es sind auch Steuersysteme bekannt, die mit Hilfe von von der Schiene
her geführten Tastern über Servomotoren die Fahrzeugachsen einsteuern. Sie haben
aber den Nachteil, daß sie die zu steuernden Achsen zu spät winkelrichtig einsteuern.
Andere Lösungen, nämlich die Entwicklung von Fahrzeugen mit Vorspurradsätzen, haben
den Nachteil, daß nur ein Teil der Achsen winkelrichtig eingesteuert wird, während
die anderen Achsen ungünstige Anlaufwinkel behalten. Es sind auch Achssteuersysteme
bekannt, die es gestatten, die Achseinstellung des vorauslaufenden Fahrzeuges z.
B. über die Puffer auf die Achsen des nachlaufenden, mit diesem gekuppelten Fahrzeuges
zu übertragen. Sie bedienen sich zur Übertragung der steuernden Kräfte auf das nachfolgende
Fahrzeug einiger Bauelemente, wie z. B. der Puffer, die zugleich andere große Kräfte
aus dem Zugverband übertragen müssen, wodurch die Exaktheit der Steuervorgänge beeinträchtigt
wird. Der Vollständigkeit halber sei bemerkt, daß auch schon negative Spurkranzanlaufwinkel,
wie sie bei übersteuerten Achsen erreicht werden, durch auf Fahrzeugachsen sitzende
Losräder mit einer gewissen
Vorspur, ähnlich wie man sie bei Kraftfahrzeugen
kennt, verwirklicht worden sind.
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Weitere Systeme, die die Achssteuerung ganzer Züge ermöglichen, sind
aus der Entwicklung der Züge mit gezogenen Deichselachsen bekanntgeworden. Die Achssteuerung
unter Verwendung der gezogenen Deichselachsen hat den für den Eisenbahnbetrieb selten
tragbaren Nachteil, daß die Einheit nur in einer Richtung fahren kann.
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Daneben sind Entwicklungen entstanden, die die Achsen oder das Drehgestell
- ä. B. als sogenanntes Jakobs-Drehgestell - mit dem Drehpunkt unter die Trennfuge
zwischen zwei Wagenkästen legen, um` so den -Spurkranzanlaufwinkel möglichst gleich
Null zu halten und damit die Entgleisungssicherheit zu erhöhen und die Laufeigenschaften
zu verbessern. Diese Ausführung hat den Mangel, daß sie zur Übertragung der Steuervorgänge
auf nachlaufende Fahrzeuge die Unteilbarkeit der Einheiten im Betriebe bedingt.
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Ein besonderes, übrigens nicht zur Erfindung gehörendes Problem bei
allen Achssteuersystemen stellt die Einsteuerung der führenden Achsen des Fahrzeuges
bzw. Zuges dar. Hierfür sind besondere Systeme bekanntgeworden, die sich entweder
vorauslaufender Steuerachsen oder von-Hand beeinflußbarer Steuersysteme oder auch
(durch optische oder elektrische Mittel) von außen her einsteuerbarer Laufwerke
bedienen. Die Lösung dieses Problems wird also als bekannt vorausgesetzt. Bei der
Achssteuerung nach der Erfindung werden diese bekannten Einrichtungen als vorhanden
unterstellt.
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Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, die nachlaufenden Achsen
bzw. Räder eines Fahrzeuges bzw. der folgenden Fahrzeuge eines ganzen Zuges ohne
besondere aufwendige Mittel, wie sie bei führenden Achsen angewendet werden müssen,
winkelrichtig und zeitgerecht einzusteuern. Dabei wird davon ausgegangen, daß die
nachlaufenden Achsen bzw. Räder je nach ihrem Abstand von den führenden Achsen erst
zu einem Zeitpunkt winkelrichtig eingesteuert werden sollen, zu dem diese Räder
sich dem Kurvenbeginn nähern. Sodann ist jedoch die Einsteuerung ohne ruckhaftes
Verstellen der Laufwerke, gegebenenfalls mit einem negativen Anlaufwinkel, also
übersteuert, durchzuführen. Unter »winkelrichtig« wird somit sowohl die bogensenkrechte
Einstellung als auch die Übersteuerung verstanden.
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Die Lösung der Aufgabe besteht darin, daß bei einem Einzelfahrzeug
der Schwenkwinkel zwischen Wagenkasten und nachlaufendem Laufwerk über ein zwischen
beide geschaltetes Getriebe dieses Laufwerk in die Krümmung winkelrichtig einsteuert,
noch ehe das besagte nachfolgende Laufwerk an die Krümmung gelangt. Nach einem weiteren
Gedanken der Erfindung erfolgt bei ganzen Zügen die Übertragung der Steuerbewegung
von der nachlaufenden Achse des voranlaufenden Fahrzeuges auf die vorlaufende Achse
des nachlaufenden Fahrzeuges über je ein weiteres Getriebe beliebiger Konstruktion,
das gleichfalls zwischen Wagenkasten und Laufwerk geschaltet ist, wobei das in der
Fahrtrichtung vordere Getriebe seine Bewegung dem entsprechenden Getriebe des nachlaufenden
Fahrzeuges im umgekehrten Sinne übermittelt.
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Wie eine nach diesen Gedanken entwickelte Einrichtung gestaltet werden
kann und arbeitet, ist im folgenden an Hand der Zeichnungen näher erläutert.
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Abb. i und 2 zeigen das Anordnungsschema einer Achssteuervorrichtung,
und zwar in Abb. i bei zweiachsigen Fahrzeugen mit - hier z. B. angenommen - Deichsellenkachsen
i und in Abb. 2 mit Drehgestellen 2; Abb. 3 zeigt die Anordnung der Achssteuerung
an den zwei Drehgestellwagen im Schema in größerem Maßstab unter der Annahme der
Einsteuerung der Achsen der Drehgestelle auf gleichen Einsteuerwinkel a mit Spurkranzanlaufwinkel
allseits annähernd gleich Null. Die Abweichung von dem Anlaufwinkel gleich Null
wird j e nach Kurvenradius nur beeinflußt durch den Drehgestellachsstand, der bei
diesen Konstruktionen folglich möglichst klein zu wählen wäre.
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Die Steuerung arbeitet folgendermaßen: Unter der Annahme, daß die
führende Achse des Zuges oder das führende Drehgestell in bekannter Weise entweder
durch eine von Hand betriebene Vorrichtung oder durch eine automatisch arbeitende
Vorrichtung in die Krümmung eingesteuert wird, erkennt man, daß der Wagenkasten
des ersten Fahrzeuges sich gegenüber seinem zweiten Laufwerk (der zweiten Achse
bzw. dem zweiten Drehgestell), von der Wagenkastenlängsachse aus gerechnet, um den
Winkel a verschwenkt. Der Winkel a steht bekanntlich in einem bestimmten Verhältnis
zu dem jeweils befahrenen Krümmungshalbmesser und zu dem Drehpunkt- bzw. Drehzapfenabstand
des Fahrzeuges.
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Diese Winkeleinstellung des Wagenkastens zu seinem zweiten, also nachlaufenden
Laufwerk kann verwendet werden, um, wie später im einzelnen beschrieben wird, diese
Achsen bzw. dieses Drehgestell über eine durch ein Getriebe (Abb. 5 bis i i) gebildete
Einstellvorrichtung 9 bzw. io um einen jeweils ganz bestimmten Winkel in die Kurvenrichtung
miteinzuschwenken, so daß der Spurkranzanlaufwinkel annähernd gleich Null wird.
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Der Schwenkwinkel a zwischen dem Wagenkasten und seinem nachlaufenden
zweiten Laufwerk 3, der durch das in die Kurve einlaufende erste waagerecht schwenkbare
Laufwerk hervorgerufen wird, bewirkt also erfindungsgemäß über das zwischengeschaltete
Getriebe 9, daß sich das zweite waagerecht- schwenkbare Laufwerk 3 für die Krümmung
winkelrichtig einstellt,; noch bevor es an diese Gleiskrümmung gelangt.
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Von diesem eingeschwenkten Laufwerk 3 aus (Abb. 3) wird nunmehr bei
ganzen Zügen über das durch Zahnstange und Zahnrad gebildete Getriebe d., die Kardanverbindung
5 zwischen den beiden Wagenkästen und das zweite durch Zahnstange und Zahnrad gebildete
Getriebe 6 das nachfolgende Drehgestell 7 um genau den gleichen Winkel a in die
Krümmung zwangläufig eingeschwenkt und
somit vorgesteuert. Damit
ist die führende Achse oder das führende Drehgestell des nachfolgenden Wagens wieder
zwangläufig richtig eingesteuert, und der Einstellvorgang geht sinngemäß weiter
über den Wagenkasten 8 dieses Wagens auf sein nachlaufendes Drehgestell und wiederholt
sich über den gesamten Zug.
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Die Kardanverbindung 5, die der einfachen Verbindungsmöglichkeit halber
als Verbindung mit Nuten und Steckwellen hier angenommen wurde, kann auch durch
andere kinematisch richtig arbeitende Stangen- und Gelenkverbindungen ersetzt werden,
wobei nur stets darauf zu achten ist, daß Einstellfehler durch die Relativbewegung
der Wagenkästen zueinander möglichst ausgeschaltet bleiben. Bei der hier dargestellten
Anordnung über Zahnstangen- und Zahnradübertragung nebst Gelenkwellen wäre für die
Zahnradübersetzung eine möglichst hohe Übersetzung zu wählen, um damit die Einstelldrehzahl
der Kardanverbindung 5 zu erhöhen und etwaige Fehler, die als Folge der Bewegung
der Wagenkästen gegeneinander sich in Form von Winkelveränderungen in den Kardanwellen
zeigen, in ihrer Auswirkung so gering zu halten, daß sie vernachlässigt werden können.
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Die Einsteuerung des Drehgestells 3 (Abb. 3) geschah bei der Fahrtrichtung
nach links durch die als Getriebe nach Abb. 5 bis i i ausgebildete Einstellvorrichtung
g. Die gleichartige-Einstellvorrichtung io des Drehgestells 7 ist bei der Fahrt
nach links ausgeklinkt und ohne Wirkung. Ändert sich die Fahrtrichtung von links
nach rechts, so wird umgekehrt beim Durchgang durch den Nullpunkt - zweckmäßig automatisch
- die Einstellvorrichtung io eingeklinkt und die Einstellvorrichtung g ausgeklinkt.
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Im nachstehenden sollen zunächst einige Beispiele der als Getriebe
ausgebildeten Einstellvorrichtung g bzw. io erläutert werden, und zwar eine mechanische,
eine hydraulische und eine elektrische Einrichtung.
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Die mechanische Einstelleinrichtung ist in den Abb. 5 und 6 und in
verkleinertem Maßstab der besseren Verständlichkeit halber auch im Grundriß der
Abb. 7 dargestellt. Der Wagenkasten 2o trägt unten einen Mitnehmer 21, an dem die
Kette (gegebenenfalls auch Drahtseil, Hebelwerk USW.) 22 befestigt ist. Die
Kette 22 läuft über das Kettenrad 23, das mit dem Zahnrad 24 fest verbunden in den
Lagern 25 gelagert ist, die auf der Unterlage nebst Zahnstange 26 gleiten können,-
aber beispielsweise durch Schwalbenschwänze oder Halterungen daran gehindert sind,
sich etwa abheben zu können. Die Zahnstange 26 ist mit dem Rahmen des Laufwerkes
(z. B. Drehgestell oder Deichselanordnung) fest verbunden. Wird nun der Wagenkasten
durch Verdrehung um den Drehpunkt 27 um den Winkel a in waagerechter Ebene um das
Maß x1 z. B. nach links verschwenkt, so wandert der Mitnehmer 21 mit der Kette 22
ebenfalls um dieses Maß nach links und hat das Bestreben, das gesamte Drehgestell
ebenfalls nach links einzuschwenken. Durch die Übersetzung zwischen Kettenrad 23
und Zahnrad 2q. wird jedoch das Drehgestell, das dem vollständigen Mitnehmen seine
Massenträgheit und letztlich auch, wenn diese überwunden werden sollte, seinen Spurkranzdruck
entgegensetzt, durch Abrollen der Kette 22 auf dem Zahnkranz 23 nur um den Betrag
x2 nach links hinausgeschwenkt. Dem Drehgestell wird damit die dem Krümmungshalbmesser
- unter Berücksichtigung der Wagenkastenlänge - jeweils entsprechende richtige Winkelstellung
gegeben.
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Sinngemäß ist die Wirkung der gleichfalls ein Getriebe darstellenden
hydraulischen Einstellvorrichtung nach Abb. 8, die in Abb. g ebenfalls im Grundriß
im verkleinerten Maßstab zu sehen ist. Der Mitnehmer 21 ist mit zwei kleineren Kolben
32 verbunden, die in den Stufenzylindern 33, die mit Arbeitsflüssigkeit (Öl) gefüllt
sind, gegen die größeren Kolben 34 arbeiten, die über an den Böcken 35 angelenkte
Kolbenstangen mit den Drehgestellen verbunden sind. Der Ölraum hinter dem Kolben
34 ist über die bewegliche (Schlauch-) Verbindung 36 mit dem Zylinderraum 37 eines
zweiten Zylinders verbunden, in dem der Kolben 38 läuft, der ebenfalls über den
Zylinder 33 mit dem Drehgestellrahmen verbunden ist (die Durchmesser der Kolben
sind des besseren Verständnisses halber mit übertrieben großen Durchmesserdifferenzen
gezeichnet). Bewegt sich nun der Wagenkasten um den Betrag x1 nach links, wie bei
der mechanischen Einstellvorrichtung beschrieben, so läuft der Kolben 32 um den
gleichen Betrag nach links, und die von ihm verdrängte Ölmenge verschiebt den Zylinder
33 gegen den Kolben 34 um den Betrag x2, der notwendig ist, um dem Laufwerk die
richtige Winkelstellung zu geben. Der Zylinder 33 ist frei schwimmend angeordnet.
Damit er sich nicht ohne Wirkung auf dem Kolben 34 verschieben kann, ist seine ebenfalls
mit Öl gefüllte Rückseite über die Leitung 36 mit dem Zylinderraum 37 verbunden.
Dessen Zylinder ist fest am Wagenkasten und der Kolben 38 mittels seiner gelenkig
im Bock 35 gelagerten Kolbenstange in der Fahrzeugquerrichtung fest am Drehgestell
angebracht. Dadurch wird sichergestellt, daß entsprechend dem verdrängten Ölvolumen
des Kolbens 32 eine genaue Seitenverschiebung des Drehgestells im Verhältnis zur
Ausschwenkung des Wagenkastens erfolgt. Die hintere Fläche des Kolbens flq. und
die vordere Fläche des Kolbens 38 haben hierbei ein wirksames Kolbenflächenverhältnis,
das dem Verhältnis der: Wege x1 zu (x1 - x2) entspricht.
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Abb. io zeigt die gleiche Anlage als Ausführungsbeispiel für eine
gleichfalls ein Getriebe enthaltende elektrische Einstellvorrichtung, Abb. i i den
Grundriß im verkleinerten Maßstab. Unter dem Wagenkasten sitzt verschiebbar die
Zahnstange 41, die über den Lenker 42 mit dem Drehgestell verbunden ist. Auf die
Zahnstange .41 arbeitet der Elektromotor 43, der zugleich mit Vorschaltgetriebe
44 auch auf das Zahnsegment 45 und eine Schleifringanordnung 46 wirkt. Bei Fahrt
in der Geraden und dementsprechenden Fluchten der Längsrichtung des Drehgestells
und Wagenkastens ist der Stromkreis
zu dem Motor 43 bis 46 unterbrochen.
Wird der Wagenkasten aus der Fahrtrichtung hinausgeschwenkt, so erhält durch Verdrehen
des über den Motor 43 mit dem -Wagenkasten verbundenen Schleifringes 45 der Motor
Strom und läuft in der dem Einschwenken des Wagenkastens entsprechenden Richtung,
so daß er das Drehgestell über die Zahnstange 41 und den Lenker 42 nachstellt. Zugleich
verdreht er aber auch über die Übersetzung 44 entsprechend langsamer den.
Schleifring 45, 46 und bringt damit die entsprechend dem errechneten Winkel notwendige
Übersetzung in die Verstellbewegung. Der Motor läuft so lange, bis der Schleifring
mit seiner isolierten Stelle über der Bürste 46 steht und damit der Stromkreis wieder
unterbrochen ist, wobei dann durch die Relativbewegung des Schleifringes zum Wagenkasten
und des Drehgestells zum Wagenkasten der jeweils richtige Einstellwinkel des Drehgestells
zum Wagenkasten erreicht wird. Mit anderen Worten, dasselbe, was bei der mechanischen
Einrichtung durch die Übersetzung 23,24 nach Abb. 6 und bei der hydraulischen Einrichtung
durch die Kolbenübersetzung 32, 34 nach Abb. 8 erreicht wurde -nämlich die winkelrichtige
Relativeinstellung der Drehgestellängsachsen zur Wagenkastenlängsachse -, wird hierdurch
die mit dem Einstellen des Drehgestells durch den Motor 43 zugleich über das Zwischengetriebe
44 erfolgende Winkelkorrektur des -Schleifringes 45, 46 erreicht.
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Um einen einwandfreien Bogenlauf insbesondere bei sogenannten kurvenschnellen
Fahrzeugen zu erreichen, genügt es nicht, den Spurkranzanlaufwinkel annähernd gleich
Null einzustellen. Vielmehr ist es hier bekanntlich erforderlich, eine gewisse Übersteuerung
sicherzustellen, so daß das äußere führende Rad des Radsatzes nicht mit dem Spurkranz
an der Innenkante der Außenschiene anläuft, sondern die Tendenz hat, durch die Übersteuerung
um den Winkel ß (Abb. 4) nach innen zu laufen. Dieser übersteuerungswinkel läßt
sich durch entsprechende Berücksichtigung der übersetzung in den Einstellvorrichtungen
bzw. Getrieben 9 und io leicht erreichen. Er muß bei angenommener Fahrtrichtung
nach links für das linke Drehgestell als Plus-Winkel (d. h. Verdrehung entgegen
dem Uhrzeigerdrehsinn) und für das folgende, nachgesteuerte Drehgestell ebenfalls
als Plus-Winkel erzeugt werden. Dies ist bei einer mechanischen Verbindung der Einsteuereinrichtung,
wie z. B. in Abb. 3 gezeigt, nur dadurch zu erreichen, daß der die Einstellvorrichtung
antreibende Teil (im vorliegenden Fall bei der Fahrt nach links das Getriebe 4)
bei einer dem Winkel entsprechend erzeugten Antriebsdrehzahl der Kardanwelle 5 eine
entsprechend dem Winkel zweimal ß größere Antriebsdrehzahl bzw. Verdrehung des nachfolgenden
Drehgestells durch das Getriebe 6 hervorruft. Diese Einstellung kann durch eine
Differentialwirkung in den Zahngetrieben 4 und 6 bzw. durch übersetzungsänderung
je nach Fahrtrichtung erreicht werden. Es ist nur erforderlich, daß je nach der
Fahrtrichtung mit dem automatischen - Einklinken der Einstellvorrichtung 9 bzw.
zo auch die Übersetzungsänderung des einen oder des anderen Getriebes 4 bzw. 6 sichergestellt
wird. Mit anderen Worten, während bei dem vorlaufenden Drehgestell der Einstellwinkel
a des Drehgestells um den Übersteuerungswinkel ß gegenüber der Wagenlängsachse verkleinert
wird, wird bei dem nachfolgenden Drehgestell der Einstellwinkel a um den Übersteuerungswinkel
ß vergrößert (Abb. 4). Die Vergrößerung des Einstellwinkels des nachlaufenden Drehgestells
gegenüber dem vorlaufenden beträgt folglich zweimal ß und wird durch eine an Hand
der Abb. 12 bis 14 erläuterte Vorrichtung erreicht.
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Am Wagenkasten befestigt sind die Lager für die Welle, die über die
Kardanwelle 5 (Abb. 3) von einem der Getriebe 4 bzw. 6 angetrieben wird. Auf dieser
Welle sitzt fest ein Zahnrad 71, das in die Zahnstange 41 eingreift, die über den
Lenker 42 mit jedem Drehgestell gelenkig verbunden ist (Abb. i2). Das in Fahrtrichtung
vordere Drehgestell (Abb. 3) soll nun um den Winkel ß (Abb. 4) weniger gegen die
Wagenlängsachse und das nachfolgende Drehgestell um den Winkel ß mehr gegen die
Wagenlängsachse eingeschwenkt werden. Um dies zu erreichen, wird bei Fahrtrichtung
nach links der Lenker 42 (Abb. 14) im vorderen Drehgestell im Punkt 74, im hinteren
Drehgestell im Punkt 75 angelenkt. Damit ist die auf die Zahnstange 41 und damit
auf die Zahnradübertragung und Kardanwelle 5 wirkende Seitenverschiebung (Weg) trotz
des kleineren Winkels (a-ß) beim vorderen Drehgestell entsprechend dem großen Radius
r i groß. Bei dem nachfolgenden Drehgestell ist infolge der Einstellung auf den
kleineren Radius 72 die Wirkung der Verdrehung der Kardanwelle 5 entsprechend
dem Verhältnis der Radien r i und r 2 größer und ist demzufolge der Winkel (a+ß)
um den Winkel zweimal ß größer. Hierbei ist vorausgesetzt, daß die Vorspur ß mit
kleiner werdendem Kurvenradius größer wird und umgekehrt. Die Veränderung der Angriffspunkte
74 bzw. 75 nach Abb. 13 und 14 ist in einfachster Form dadurch möglich, daß der
Schaltzylinder 76 unter der Wirkung der Feder 77 (Abb. 13) die Schaltstange 78 nach
unten verschiebt und damit den großen Radius r i einstellt oder sie unter Wirkung
von Luftdruck auf den Kolben 79 nach oben in die Stellung 75 verschiebt und damit
den kleineren Radius r2 einstellt.