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Einrichtung zum Einstellen der die Laufräder tragenden Achse von Gliederzügen
bei der Kurvenfahrt Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Einstellen des mit
negativem Anlaufwinkel bei der Kurvenfahrt außen anlaufenden Rades der am Hinterende
des Wagens eines aus sattelschlepperartig aufeinander abgestützten Wagen gebildeten
Gliederzuges angeordneten, die Laufräder tragenden Radachse, die mittels eines Paares
von waagerecht beweglichen, mit ihren einen Enden an der Radachse, mit ihren anderen
Enden am Hinterende des betreffenden Wagens angelenkten Radiusstangen gegenüber
dem Wagenkasten quer zur Fahrtrichtung nachgiebig geführt sind.
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Das ältere Patent 918 39o beschreibt bereits einen Schienengelenkzug
mit einer Mehrzahl kurzer starrer, sattelschlepperartig aufeinander abgestützter
Wagen mit Räderpaaren, die an oder in der Nähe der Gelenkpunkte der Wagen angeordnet
und an die davorliegenden Wagen durch eine Verbindung angeschlossen sind, die eine
seitliche Bewegung (Querbewegung des Räderpaares) zum Wagenkasten ermöglicht und
die geometrische Drehachse des Räderpaares während dieser Bewegung senkrecht zur
Wagenlängsmittelebene hält. Elastische Mittel setzen hierbei der seitlichen Bewegung
der Räder einen Widerstand- entgegen.
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Auf eine solche Anordnung bezieht sich auch die vorliegende Erfindung.
Es hat sich nämlich gezeigt, daß der negative Winkel, unter welchem bei Zügen der
beschriebenen Art die äußeren Räder in Kurven an der Schiene angreifen, unverhältnismäßig
groß
wird, wenn im Interesse einer wirtschaftlichen Bauweise die Einzelwagen länger werden
als das Sechsfache der Spurweite der Radachse. Andererseits kann, wie weiter unten
auseinandergesetzt werden wird, mathematisch nachgewiesen werden, daß der größte
Sicherheitsfaktor gegen Entgleisen erzielt wird, wenn das äußere Rad an dem Schienenstrang
unter einem kleinen negativen Winkel, etwa einem Winkel von etwa minus 25 Bogenminuten,
angreift.
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Die Erfindung hat sich die Aufgabe gesetzt, auch bei Verwendung von
Einzelwagen einer Länge, die größer ist als das Sechsfache der Spurweite, für den
Gliederzug eine Einrichtung zu schaffen, die es gestattet, daß der negative Winkel,
mit dem die Außenräder an den Schienenstrang einer Kurve angreifen, nichtwesentlich
größer ist als a5 Bogenminuten, so daß eine maximale Sicherheit gegen Entgleisen
erzielt und außerdem eine nachteilige Erhöhung der für die Bewegung des Zuges notwendigen
Antriebsleistung vermieden wird.
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Es ist bereits bekannt, die kurvenrechte Lenkbarkeit eines Einzelradsatzes,
der auf gerader Strecke durch Lenker parallel zu sich selbst bei seitlicher Verschiebung
geführt wird, dadurch zu erreichen. daß die Gelenkpunkte, mit denen die den Radsatz
steuernden Lenker am Wagen angreifen, verstellbar sind, so daß sie gegenüber ihren
Angriffspunkten am Radsatz während der Fahrt einander genähert werden können.
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Dieses an. sich" bekannte Mittel benutzt zur Lösung der ihr zugrunde
liegenden Aufgabe die Erfindung, die darin besteht, daß zwecks Bildung des Gliederzuges
aus Wagen, die länger sind als das Sechsfache der Spurweite der Radachse, die Anlenkungsstellen
der Radiusstangen am Wagenkasten, wie an sich bekannt, näher nebeneinanderliegen
als ihre Anlenkungsstellen an der Radachse.
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In der Zeichnung ist eine Ausführungsform der Erfindung beispielsweise
dargestellt; wobei im einzelnen das Verhalten des Gliederzuges beim Durchfahren
einer Kurve erläutert werden soll.
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Fig. i ist ein Teil einer Seitenansicht eines aus sattelschlepperartig
aufeinander abgestützten Wagen gebildeten Gliederzuges; Fig. 2 ist eine schaubildliche
Ansicht des hinteren Endes eines Einzelwagens mit einer Einrichtung nach der Erfindung;
Fig. 2,a ist eine Seitenansicht und Fig.2b eine Stirnansicht eines Verbindungsstückes
an der Blindachse, an welcher eine Radiusstange angreift; Fig. 3 ist eine schaubildliche
Ansicht der Blindachse von der mit Bezug auf Fig. 2 gegenüberliegenden Seite aus
gesehen; Fig.4 ist eine im vergrößerten Maßstabe gezeichnete Schnittansicht der
waagerechten Federstrebe; Fig. 5 ist eine schematische Draufsicht auf den hinteren
Teil eines Einzelwagens; Fig. 6 veranschaulicht in einem Schema die Wirkung eines
Rades an eine Schiene und gibt bei a einen positiven Angriffswinkel und bei b einen
negativen Angriffswinkel an; Fig. 7 ist eine graphische Darstellung und gibt die
Beziehung zwischen dem Angriffswinkel und dem Sicherheitsfaktor gegen Entgleisen
an; Fig. 8 ist ein Diagramm und veranschaulicht die Beziehung zwischen der Wagenachse
und dem Schienenstrang an einer Kurve, und Fig.9 ist ein Diagramm der Geometrie
der Radiusstangenanordnung.
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In der Zeichnung sind die Winkel zwischen den Radiusstangen und der
Wagenlängsachse sowie zwischen den Rädern und dem Schienenstrang zum Zwecke der
besseren Anschaulichkeit übertrieben dargestellt.
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Der in der Zeichnung dargestellte Gliederzug besteht in bekannter
Weise aus einer Anzahl von Einzelwagen, von denen jeder aus einem starren Wagenkasten
a mit einer Radachse 3o und zwei Laufrädern 2o an einem Ende besteht. Die Wagenkupplungen
c besitzen einen lotrechten Drehzapfen c1 (s. Fig. 2). Das Gewicht des vorderen
achsfreien Endes eines jeden Wagenkastens wird sattelschlepperartig von dem hinteren
Ende des vorhergehenden Wagenkastens durch seitliche Gleitverbindungen d getragen.
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Ein Räderpaar 2o ist an dem hinteren Ende eines jeden Einzelwagens
a in der Nähe des Drehzapfens c1 angebracht. Die Räder 2o eines jeden Räderpaares
sind auf Wellenstümpfen 31 (s. bes. Fig. 3) angebracht, die einen Teil einer
Blindachse 30 bilden. Das Gewicht des hinteren Teiles eines jeden Wagens wird von
seiner Blindachse 3o durch eine Federaufhängung getragen, die so ausgebildet ist,
daß sie eine seitliche Bewegung der Achse mit Bezug auf den Wagenkasten erlaubt.
Beim dargestellten Ausführungsbeispiel hat die Federaufhängung die Form von im wesentlichen
aufrecht stehenden Federstreben 40, welche an ihren Enden Universalgelenke haben.
Der relativen seitlichen Bewegung des Wagenkastens und der Räder wird durch eine
waagerechte Federstrebe 6o (s. bes. Fig. q.) ein Widerstand entgegengesetzt und
die seitliche Bewegung hierdurch beschränkt, wobei die Federstrebe 6o ausbalancierte
Druckfedern 63, 64 aufweist. Die Strebe 6o greift an dem Wagenkasten und an der
Blindachse 3o durch Universalgelenke 65, 66 an. Die Stärke der Druckfedern 63, 64
ist mit Bezug auf das Gewicht des Fahrzeuges so bemessen, daß die beim Durchfahren
einer Kurve mit hoher Geschwindigkeit entstehende Zentrifugalkraft die Windungen
der belasteten Feder miteinander in Berührung bringt. Beim dargestellten Wagen erlaubt
dies eine seitliche Verschiebung der Radachse mit Bezug auf den Wagenkasten um etwa
34 mm.
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Der Winkel zwischen der Achse 3o der Räder 2o und der Längsachse des
Wagenkastens wird durch ein Paar Radiusstangen 5o (Fig. 2) gesteuert. Beim dargestellten
Ausführungsbeispiel besteht eine jede Radiusstange 5o aus einem V-förmig gestalteten
Rahmen, dessen Seitenteile 53 durch
Querstücke 54 miteinander verbunden
sind. Die Seitenteile 53 einer jeden Stange 5o konvergieren an dem inneren Ende
der Stange, welche an dem Wagenrahmen durch ein Universalgelenk 51 befestigt ist.
Die äußeren Enden der Seitenteile 53 sind an Doppelhebeln 55 (Fig. 2 und 3) befestigt,
welche auf den inneren Enden der Wellenstümpfe 31 der Blindachse 30 gelagert
sind. Ein jeder Doppelhebel 55 hat eine Muffe 56, die auf einem der Wellenstümpfe
31 drehbar ist, und außerdem aufrecht stehende Arme 57, die an ihren oberen und
unteren Enden Löcher 58 haben (vgl. auch Fig. 2 a und 2b). Die Löcher sind versenkt
und nehmen spulenartig gestaltete Gummiblöcke 59 auf, durch die hindurch die äußeren
bolzenartigei. Enden der Seitenteile 53 der Radiusstange 5o gehen. Die Gumviiblöcke
59 sind zwischen Scheiben an den bolzenartigen Enden der Seitenteile .53 festgeklemmt,
so daß sie ein Gelenk oder einen Drehzapfen 52 bilden, auf dem die Radiusstange
50 sich mit Bezug auf die Achse 3o drehen kann.
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Soweit entspricht die Anordnung in ihrem wesentlichen Aufbau dem älteren
Patent 918 390.
Das wesentliche Merkma' der vorliegenden Erfindung- besteht
darin, daß die Universalgelenke 5 r zwischen den Radiusstangen 5o und dem Wagenrahmen
näher aneinanderliegen, als die Gelenke 52 zwischen den Radiusstangen und der Blindachse
30, so daß, wenn sich die Räder 2o in ihrer normalen Lage befinden, die Radiusstangen
mit dem Wagenkasten und der Achse von oben gesehen ein Trapez bilden, dessen längeres
Ende sich auf der Achse 3o befindet (Fig. 5). Der Unterschied zwischen der die Universalgelenke
51 trennenden Strecke und der Strecke, die die Drehzapfen 52 voneinander
trennt, hängt von der Länge des Wagens ab.
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Die Arbeitsweise dieser neuen Anordnung soll nunmehr erläutert werden.
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Die Ausdrücke-»positiver« und »negativer« Angriffswinkel werden benutzt,
um die Beziehung zwischen einem mit einem Flansch versehenen Rade und einer Schiene
zu bestimmen, wenn die rollende Richtung des Rades nicht genau parallel zu der Schiene
verläuft. Wenn die Rollrichtung des Rades schräg auf die Schiene zu von der mit
dem Flansch des Rades in Eingriff kommenden Schienenseite her (wie bei a in Fg.
6 dargestellt ist) verläuft, greift das Rad an der Schiene unter einem positiven
Winkel an. Wenn dagegen die Rollrichtung des Rades von derjenigen Schienenseite
fort gerichtet ist, mit der der Radflansch in Eingriff kommt (wie bei b in Fig.
6 dargestellt), so greift das Rad an der Schiene unter einem negativen Winkel an.
Wenn ein belastetes Rad (das ist ein Rad, dessen Flansch an die Schiene angedrückt
ist) an der Schiene unter einem positiven Winkel angreift, so wird die Reibung zwischen
dem vorderen Teil des Radflansches und der Schiene veranlassen, daß das Rad auf
die Schiene aufzuklettern sucht, während, wenn ein belastefes Rad an der Schiene
unter einem negativen Winkel angreift, die Reibung zwischen dem hii.teren Teil des
Flansches und der Schiene das Rad auf der Schiene niederzuhalten sucht (s. Fig.
6, in welcher die Berührungspunkte zwischen den Flanschen und den Schienen bei A
angedeutet sind). Alles das ist bekannt.
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In den Lehrbüchern für Eisenbahnbau wird die Entgleisungsgefahr in
Verbindung mit dem Nadal-Sicherheitsfaktor
betrachtet. Dieser Faktor stellt das Verhältnis des Seitendruckes dar, dem ein Rad
gegenüber dem auf ihm ruhenden Gewicht widerstehen kann. Je größer dieser Faktor
ist, um so kleiner ist die Entgleisungsgefahr.
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Fig.7 veranschaulicht drei Kurven, bei denen der Sicherheitsfaktor
als Funktion des Angriffswinkels für jeden von drei Raddurchmessern, nämlich von
6oo, 8oo und rooo nim, aufgezeichnet ist. Diese Kurven zeigen, daß der Sicherheitsfaktor
bedeutend größer für die negativen als für die positiven Werte des Angriffswinkels
ist, und geben ferner an, daß der maximale Wert des Sicherheitsfaktors, bei dem
die Entgleisungsgefahr am geringsten ist, bei einem Angriffswinkel von minus 25
Bogenminuten auftritt.
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Wenn der beschriebene Wagen eine Kurve mit hoher Geschwindigkeit durchfährt,
drängt die Zentrifugalkraft den Wagenkasten nach außen und verschiebt ihn seitlich
von den Rädern 20 um den durch die Strebe 6o erlaubten Befrag. Wie in Fig. 5 mit
gestrichelten Linien dargestellt, hat dies die Wirkung, daß die Achse 3o der Räder
2o aus ihrer normalen senkrechten Lage zu der Längsmittel' achse ä des Wagenkastens
ausschwingt. Das belastete Rad 20' wird somit nach außen mit Bezug auf die Längsmittelachse
ä des Wagens um einen Betrag schräg gestellt, welcher von dem Abstand der Drehzapfen
der Radiusstangen abhängt. (Vgl. die durch die gestrichelten Linien dargestellte
Lage in Fig. 5.) Die Längsmittelachse ä des Wagens (Fig. 8) bildet eine Sehne des
mittleren Kreisbogens T'- des gekrümmten Schienenstranges T, so daß sie zu dem Schienenstrang
an dem hinteren Ende des Wagens um einen Betrag nach innen schräg verläuft, der
von der Beziehung zwischen der Länge des Wagens und dem Radius der Kurve in dem
Schienenstrang abhängt.
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Der Winkel, unter dem das belastete Rad an dem Schienenstrang angreift,
ist die Differenz zwischen dem Winkel a, den die Wagenlängsmittelachse ä mit dem
Schienenstrang T' an dem hinteren Wagenende bildet, und dem Winkel co zwischen dem
Rad und der Wagenlängsmittelachse ä (Fig. 8). Da der erste Winkel a von der Wagenlänge
L und der zweite Winkel co von der Differenz zwischen dem Abstand der Radiusstangen
5o an ihren beiden Enden (5r und 52) abhängt, so folgt, daß füirgendeine Wagenlänge
L der Abstand der Drehzapfen der Radiusstangen 5ö so gewählt werden kann, daß dem
belasteten Rad ein kleiner negativer Angriffswinkel gegeben wird, welcher die größte
Sicherheit bietet. Dieses Ergebnis wird bei einem
Wagen von normaler
Länge - beispielsweise einer Länge von etwa 14 m - dadurch erreicht, daß man die
Drehzapfen 52 an den äußeren Enden der Radiusstangen etwa ioo mm weiter voneinander
anordnet als die Universalgelenke 5 i an ihren inneren Enden.
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Aus Fig. 8 geht hervor, daß die Beziehung zwischen dem Winkel a, der
zwischen der Längsmittelachse a' des Wagens und der Richtung des Schienenstranges
T' an dem hinteren Ende des Wagens gebildet wird, wenn der Zug eine Kurve durchfährt,
sowie der Länge L des Wagens und dem Krümmungsradius R des Schienenstranges ist:
Da die Wagenlänge etwa 14 m und der Krümmungsradius der am meisten gefährlichen
Kurven bei den gewöhnlichen Schienenwegen ungefähr 420 m beträgt, zeigt diese Formel,
daß beim Durchfahren dieser Kurven die Wagenlängsmittelachse ä nach innen um einen
Winkel von 57 Bogenminuten zu dem Schienenstrang T' am hinteren Wagenende geneigt
verläuft.
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Wenn man nur die kleinen Verschwenkungen der Radiusstangen 5o betrachtet,
die tatsächlich auftreten, so daß die Kreisbögen, Sinen und Tangenten der Winkel
als gleich betrachtet werden können, ist es aus der Geometrie der Radiusstangen-Anordnung
(Fig. 9) einfach zu beweisen, daß der Winkel co zwischen den Rädern 2o' und der
Wagenlängsmittelachse a' (welcher derselbe ist, wie der Winkel co zwischen der Achse
3o der Räder 2o' und einer zur Wagenlängsmittelachse verlaufenden Senkrechten) durch
folgende Formel gegeben wird:
wobei S die seitliche Verschiebung des Wagenkastens mit Bezug auf die Räder, d die
Hälfte der Strecke zwischen den Universalgelenken 5 i, b die Hälfte der Strecke
zwischen den Drehzapfen 52 und h die Länge der Radiusstangen 5o ist. Bei dem dargestellten
Wagen gemäß der Erfindung beträgt die seitliche Verschiebung S, welche durch die
Federstrebe 6o ermöglicht wird, etwa 34 mm und die Länge der Radiusstangen etwa
350 mm. Die Gelenkpunkte 52 sind uni etwa ioo mm weiter voneinander entfernt
als die Gelenkpunkte 51. d betr@gt etwa 5oo mm und b etwa 56o mm. Bei der oben angegebenen
Formel ist als to = 32 Bogenminuten.
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'Der Winkel, unter dem das belastete Rad 2o' an dem Schienenstrang
T angreift, ist demzufolge 57" minus 32" oder 25 Bogenminuten.
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Dieser Winkel also, der beim Durchfahren einer Kurve mit ' Hilfe der
Zentrifugalkraft durch ein Paar Radiusstangen gesteuert wird, deren Gelenkstellen
am Wagenkasten näher aneinanderliegen als ihre Gelenkstellen an der Radachse, ergibt
den maximalen Sicherheitsfaktor.
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Der Patentanspruch schützt ausschließlich die Gesamtkombination seiner
sämtlichen Merkmale.