EP2244891A2

EP2244891A2 - Bahnachse

Info

Publication number: EP2244891A2
Application number: EP09710885A
Authority: EP
Inventors: Heinz B Winzeler
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-02-15
Filing date: 2009-02-11
Publication date: 2010-11-03
Also published as: WO2009100557A3; WO2009100557A2

Abstract

Der erfindungsgemässe Radsatz für ein Schienenfahrzeug mit einer Achse und zwei endständigen Rädern wird durch Teilung in zwei Achsteilen (10, 20), entstarrt'. Ein Achsteil (10) weist eine teilweise auf einen kleineren Durchmesser abgedrehte Länge (11) auf und der andere Achsteil (20) eine Längsbohrung zur Einformung einer Hülse (21) zur Aufnahme der auf einen kleineren Durchmesser abgedrehten Länge in Form eines Kerns (11). Im zusammengeführten Zustand ist die Achse wie elastisch drehbar. Ein zur abgedrehten Länge stirnseitige Hohlraum und andererseits zwischen Hülse (21) und Kern (11) entstandenen Schmierspalt (7) verhindert weitgehend das ruckweise Auseinanderziehen der Achsteile. Eine Ausfuhrungsform beinhaltet Antriebe für die einzelnen Achsteile, diese Antriebe sind über ein Regelsystem gekoppelt.

Description

BAHNACHSE

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Bahntechnik und betrifft einen Radsatz für Schienenfahrzeuge, wobei insbesondere Strassenbahnen mit ihrem Schienennetz mit den bekannt engen Kurvenradien eine besondere Bedeutung haben.

Radsätze umfassen im wesentlichen ein Achsenpaar mit endständigen Rädern, wel- che Achsen in einem Drehgestell befestigt mit dem Wagenkasten verbunden sind. In der Regel handelt es sich bei den Achsen üblicher Radsätze um Starrachsen, bei welchen eine hohe Spurtreue das prägende Merkmal und ihr grösster Vorteil ist. Dazu gehört auch die Einfachheit und Robustheit der Konstruktion. Trotz dieser Vorteile sind die Nachteile nicht gering, die da sind: Abnutzung der Laufflächen von Schie- nen und Rädern durch Kurven (Bögen) im Schienennetz. Bei den Schienen erfolgt der Verschleiss an der bogeninnenlaufenden Schiene auf der Lauffläche, und bei der bogenaussenlaufenden Schiene an der inneren Flanke durch den Spurkranz. Bei den Rädern kommt es zu ungleichmässiger Abnützung der Lauffläche und Abnützung des Spurkranzes, wobei das unangenehme Kurvenquitschen durch den sogenannten Stick-Slip Effekt mit Resonanzschwingungen an den Rädern entsteht. Dies kommt daher, dass in Kurven die beiden Schienen verschiedene Radien aufweisen, bei denen die Räder durch die Starrachse sich nicht ,anpassen' können, was zu Kollergang und folglich zu ungleicher Abnützung fuhrt.

So versucht man in der Bahntechnik, die starr verbundenen Räder zu trennen, was in der Automobiltechnik längst gang und gäbe ist, aber noch kaum in der Bahntechnik. Einzelradaufhängung bei Bahnen sind teuer und im rauhen Betrieb anfallig. Bekannte Zwischenlösungen, wie das Trennen der Starrachse und beweglichem Wiederverbinden sind aufwändig und im rauhen Betrieb anfallig. Somit ist eine Lösung gesucht, die an einer bestehenden Bahnachse nicht viel ändert und dadurch kostengünstig ist, und die im rauhen Betrieb so robust und wenig pflegebedürftig ist wie eine Starrachse mit Festradsatz per se. Sie ist gegen Starrachsen auswechselbar, da die äussere Geometrie im Vergleich mit der Starrachse unverändert ist.

Bekannt ist eine Lehre in EP O'l 88*687, in welcher die Achswelle eines Radsatzes für Schienenfahrzeuge in zwei Halbachsen geteilt ist, welche für sich drehbar und zum Einstellen einer Differenzdrehzahl über ein Kupplung kraftschlüssig verbunden sind und welche Kupplung in torsionssteifer Verbindung mit einer der Halbachsen verbunden ist. Dieser Lehre liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Radsatz ohne hochbeanspruchte Sonderlager zwischen den Kupplungsteilen und der Achswelle auszukommen.

Der Radsatz gemäss Erfindung weist keinerlei Art Kupplung auf und erlaubt eine Differenzdrehzahl mit allereinfachsten Mitteln. Die Achswelle ist im Gegensatz zum genannten Stand der Technik unter Beibehaltung des äusseren Achsdurchmessers eine in zwei Achsteilen geteilte Achse mit Schmiermittelzufuhrungen, wobei ein Achsteil eine teilweise auf einen kleineren Durchmesser abgedrehten Längsteil (in der Folge Kernteil genannt) aufweist und der andere Achsteil eine Längsbohrung zur Formung einer Aufnahme (in der Folge Hülsenteil genannt) für den auf den kleineren Durchmesser abgedrehten Längsteil aufweist und im zusammengeführten Zustand einerseits einen zum abgedrehten Längsteil stirnseitigen Hohlraum und andererseits zwischen Aufnahme und abgedrehten Längsteil ein Schmiermitteldepot in Verbin- düng mit den Schmiermittelzuführungen aufweist. Verschiedene Ausführungsformen der Erfindung, wie sie in den Patentansprüchen definiert sind, zeigen die erfinderische Lehre auf.

Wie oben kurz ausgeführt, wird die Starrachse durch eine Trennung sozusagen entstarrt, sodass die beiden Achsenden in dem kleinen Drehwinkelbereich eines Kur- venganges gegeneinander verdrehbar sind. Ein Achsteil wird über eine bestimmte Länge im Durchmesser abgedreht und bildet so den ,KernteiP der Achse und der andere Achsteil erhält eine koaxiale Bohrung für die Aufnahme des Kernteils und bildet so den ,Hülsenteil', sodass Kernteil und Hülsenteil ineinander gesteckt werden können. Damit entsteht eine aus den vormaligen Dimensionen der Starrachse eine neue, um ihre Längsachse bewegliche Achse gleicher Dimension, ohne dass die mechanische Festigkeit beeinträchtigt wird.

Die nachfolgend aufgeführten Figuren zeigen verschiedene Ausführungsformen der erfindungsgemässen Achse.

Fig.l zeigt eine prinzipielle Ausführungsform des Radsatzes mit der sozusagen ,entstarrten' Radachse mit stilisierten Bremsaufsätzen auf der Achse.

Fig. 2 zeigt zeigt einen Längsschnitt durch den Radsatz, wo eine Schmiermittelzuführung durch den Hülsenteil führt und

Fig. 3 zeigt vergrössert ein Detail von Figur 2 und die

Fig. 4 und 5 zeigen perspektivische Darstellungen des Radsatzes.

Fig. 6 zeigt die auseinandergezogenen Achsteilen einer weiteren Ausführungsform. Fig.7 zeigt in einem Längsschnitt dieser Ausführungsform des Radsatzes wie eine Schmiermittelzuführung durch den Kernteil der Achse fuhrt und

Fig. 8 zeigt ein Detail von Figur 7.

Fig. 9 bis 12 zeigen eine weitere Ausfuhrungsform zur Schmierung der beiden Achsteile

Fig. 10 zeigt einen Längsschnitt durch Figur 9 und

Fig. 11 und 12 zeigen Details von Figur 10 und

Fig. 13 zeigt stilisiert einen Einsatz für den Schmiermittelvortrieb der gleichzeitig die Abdichtung nach aussen erfüllt

Fig. 14 bis 18 zeigen einen Lösungsvorschlag mit einer beispielsweisen reib- und formschlüssigen Vorrichtung zur Sicherung eines Auseinanderlaufens der Spur ausserhalb der Schiene.

Fig. 19 bis 22 zeigen einen weiteren Lösungsvorschlag mit einer beispielsweisen formschlüssige Vorrichtung zur Sicherung eines Auseinanderlaufens der Spur ausserhalb der Schiene.

Fig. 23 und 24 zeigen einen beispielsweisen Formschluss für die beiden Lösungsvorschläge gemäss Fig. 14-18 und Fig. 19-24

Fig. 25 und 26 zeigen schematisch eine weitere Ausführungsform eines Radsatzes und deren Achsteile, die durch zwei unabhängigen Motoren koaxial betrieben werden. Fig. 27 bis 29 zeigen schematisch eine ähnliche Ausfiihrungsform wie in Fig. 25 und 26, jedoch sind die Motoren nicht koaxial zu den Achsteilen positioniert.

Die Figuren 1 und 2 zeigen das Prinzip der Erfindung in einer grundlegenden Ausfuhrungsform, einmal in Ansicht und einmal im Schnitt A. In Figur 1 erkennt man einen Achsteil 10, hier Kernteil genannt und einen Achsteil 20, hier Hülsenteil genannt. Beide Teile zeigen in stilisierter Form eine aufgesetzte Bremseinrichtung 5, in der Regel eine Scheibenbremse. Ferner erkennt man an beiden Achsteilen die endständigen Räder mit Spurkranz 1 und Lauffläche 2 sowie die Nabe 3, an der der Radsatz mit dem Drehgestell verbunden wird. Im Schnitt A, Figur 2 erkennt man ferner den auf Achsteil 10 in ihrem Durchmesser abgedrehten Kern 11 und im Achsteil 20 die ausgebohrte Hülse 21 und einen bis zur Hülse 21 führenden Scnmiermit- telkanal 22. Im Achsteil 10 befindet sich ein Entlastungskanal 19 zum Ausdrängen der Luft beim Füllen des Schmiermittel einerseits und zur Ausleitung von verdampftem Schmiermittel bei allfalliger Überhitzung. Der Entlastungskanal ist mit einem stilistisch dargestellten Ventil oder Berstkopf 18 abgeschlossen.

Bei den beiden zusammengesteckten Achsteilen ist ferner ein Schmiermittelhohl- raum 6 zu sehen, welcher Hohlraum hier übertrieben gross dargestellt ist. Dieser Hohlraum bildet zusammen mit Bohrung 22 ein Schmiermitteldepot, welches auch ausserhalb, am andern Ende des Schmiermittelkanals angelegt sein kann. Zwischen Kern und Hülse befindet sich ein enger, in der Zeichnung nicht dargestellter konzentrischer Spalt, der Schmierspalt 7, zur Aufnahme von Schmiermittel. Eine später dargestellte beispielsweise Labyrinthdichtung 25 dichtet die Schmierung nach aussen ab. Die Abdichtung ist wesentlich, da die beiden Achsteile in axialer Richtung durch das inkompressible Schmiermittel zusammen gehalten werden. Über die Art des Schmiermittels wird weiter unten noch eingehend Stellung genommen. Doch dies vorab; beim Schmiermittel handelt es sich um ein hochsiedendes Mittel von mittlerer, bei Temperaturen um 10 bis 30 Grad Celsius noch fliessender Viskosität, sodass im Ruhezustand sich das Schmiermittel verteilen kann. Beim Betrieb, also in Fahrt, steigt die Temperatur an durch kleine radiale und axiale Reibbewegungen sowie durch die Bremswärmeübertragung aus der Bremsvorrichtung auf die Achse. Durch kleine axiale Bewegungen wird ständig ein Unterdruck im inkompressiblen Schmiermitteldepot erzeugt, sodass dadurch der Siedepunkt temporär beträchtlich gesenkt werden kann wie auch temporär erhöht beim Zusammenpressen der Achsteile. Somit muss bei der Wahl des Schmiermittels in Betracht gezogen werden, dass nicht nur der angegebene Siedepunkt, meist bei Druck auf Meereshöhe angegeben, relevant ist, sondern auch Siedepunkte bei sehr niederen und sehr hohen Drücken. Solange das Schmiermittel keine kompressiblen Blasen erzeugt, sind die Achsteile für den Normalbetrieb sozusagen fest verbunden dies natürlich nur solange die Dichtung im Schmierspalt 7 dicht ist.

Figur 3 zeigt ein vergrössertes Detail der zusammen gefügten Achsteile mit dem Schmiermittelvolumen und die Figuren 4 und 5 zeigen zur besseren Illustration in perspektivischer Ansicht den erfindungsgemässen Radsatz. Der abgebildete Radsatz ist nicht massstabsgetreu gemäss eines starrachsigen Radsatzes dargestellt.

Die Figuren 6, 7 und 8 zeigen in auseinander gezogener Darstellung der beiden Achsteile eine Ausfuhrungsfoπn, bei der das Schmiermittel nicht durch den Hülsenteil sondern durch den Kernteil zugeführt wird. Wie bei den oben diskutierten Figuren erkennt man in Figur 6 den nun freigelegten Kemteil 11 mit hier sichtbaren radial zur Längsachse angelegten Schmierkanäle 13. Im Schnitt B, Figur 7, sieht man die Schmierkanäle 13, die, wenn zusammengesteckt, in eine Labyrinthdichtung 25 im Hülsenteil münden. Im andern Achsteil 10 ist ein Entlastungskanal 19 mit einem stilisierten Ventil oder Berstkopf 18 angelegt. Auch hier ist ein Schmiermittelhohlraum 6 vorgesehen, der mit inkompressiblem Schmiermittel gefüllt wird. Mit inkom- pressibel ist die Inkompressibilität von Flüssigkeiten im allgemeinen gemeint und nicht eine absolute Inkompressibilität. Figur 8 zeigt ein Detail von Figur 7 in vergrösserter Form. Der Schmiermittelkanal 12 ist am Ende des Kerns 11 offen, sodass der Schmiermittelhohlraum 6 gefüllt werden kann. Vorzugsweise ist dieser sehr klein, bspw. nur ein Spalt, um die Schmiermittelmenge klein zu halten. Je grösser das Volumen des Schmiermittels, desto mehr Material kann bei hoher Temperatur und niederem Druck verdampfen und Blasen bilden. Es ist jedoch darauf zu achten, dass beim Befϊillen kein kompressibles Gas (Luft) eingedrückt wird oder zurückbleibt. An Stelle einer Labyrinthdichtung kann natürlich jede andere brauchbare Dichtungsart verwendet werden.

Die Figuren 9 bis 13 zeigen eine Ausfuhrungsform mit einer Einrichtung zur Unterstützung der Schmierung. Wie in Figur 8 gezeigt, können auch in diesem Beispiel radiale Kanäle zur Schmiermittelzufuhr angelegt sein. In Figur 19 erkennt man den schon oben eingehend diskutierten Aufbau, wobei auffallt, dass stets bei jeder Aus- fuhrungsform die Morphologie der Starrachse unverändert bleibt und dass die verwendeten Mittel zur Lösung der Aufgabe jeweilige robuste und verhältnismässig einfache, kostengünstige ,Zutaten' am Radsatz sind. Im schnitt der Figur 9, also in Figur 10, erkennt man den Aufbau, wie er schon diskutiert wurde. Im Schmierkanal 12 des Kernteils der Achse ist durch ein kleines Quadrat ein Einsatz 40 für den Schmiermittelvortrieb eingezeichnet, siehe auch in der Detaildarstellung von Figur 11, der stilisiert in Figur 13 um einiges grösser dargestellt ist, allerdings sollten die abgebildeten Sägezähne asymmetrisch sein. Bei diesem Schmiermittelvortrieb han- delt es sich um eine Art Einsatz, der sich gegen die Mündung des Schmierkanals 12 im Kern im Einweg vorwärts bewegt aber nicht zurück. Der Schienenabstand variiert immer ein wenig zwischen Millimeter und ein bis zwei Zentimeter, was die beiden Achsteile 10 und 20 auseinandertreibt und wieder zusammenfuhren könnte. Diese kleinen Auslenkungen genügen, um den Einsatz 40 schrittchenweise voranzutreiben, womit die Schmiermittelverteilung im Ringspalt zwischen Kern und Hülse stets gesichert ist. Figur 12 zeigt einen Ausschnitt von Figur 10, in welchem man den Schmiermittelhohlraum 6 und zwischen Kern 11 und Hülse 21 die Labyrinthdichtung abgebildet sieht. Man kann es einrichten, dass das Volumen des Schmiermitteldepots ungefähr 100 Mal grösser ist als das Volumen des konzentrischen Schmierspaltes 7, was für die Schmierung von mehreren Zehntausend Kilometer ausreichend ist. Bei einem zusätzlichen Aussendepot für Schmiermittel, kann man es einrichten, dass hinter dem Einsatz 40 weiteres Schmiermittel nachgezogen wird. Der Schmiermittelhohlraum 6 muss bei dieser Ausfϊihrungsform so bemessen sein, dass der Einsatz 40 beim Vorschub in diesen ausreichend Platz findet.

Die Figuren 14 bis 18 zeigen eine Ausfuhrungsform, bei der eine grossere axiale Auslenkung nicht nur durch das Schmiermitteldepot sondern zusätzlich durch mechanische Mittel verhindert werden soll.

Man kennt in der Mechanik drei grundsätzliche Befestigungsarten, nämlich: den Formschluss, wo mechanische Teile ineinandergreifen; den Reibschluss, wo mechanische Teile eng aufeinander gepresst sind und die Reibung hoch ist, sowie den Stoffschluss, wo mechanische Teile mit Stoffen miteinander verbunden werden, bspw. durch Kleben oder Schweissen.

Die Figuren 14 bis 18 zeigen ein Beispiel eines Reibschlusses zur Unterstützung der Bindungskräfte des Schmiermittels und des Druckschlusses der Luftsäule auf das Schmiermittel und die Bindungskräfte desselben. Der hier gezeigte beispielhafte Reibschluss besteht aus zwei Doppel-Schrägwalzenlager 16 und 26 für je einen Achsteil und einer sie verbindenden Schrumpfhülse 30 über die beiden Walzenlager. Dabei werden die Walzenlager auf die Achsteile aufgepresst und die Schrumpfhülse warm darübergezogen. Die Räder sind ja üblicherweise gleichermassen mit einem Presssitz auf der Achse befestigt, sodass ein Press- und Schrumpfsitz der Reibschlussmittel in der gleichen Befestigungsart und im gleichen Sicherheitsbereich angesiedelt sind. Die Figuren 9 und 10 zeigen einmal in Ansicht und einmal im Schnitt diese beispielsweise Zusatzbefestigung. Figur 14 zeigt den Radsatz wiederum auseinandergezogen. Vor dem Kernteil 11, knapp dort, wo der Uebergang vom Achsteil 10 zum Kernteil 11 beginnt, ist ein Doppelschrägwalzenlager 16 aufgepresst. Am Hülsenteil ist die Schrumpfhülse 30 über dem zweiten Doppelschrägwalzenlager 26 angeordnet, sodass in dieser Per- spektive dieses zweite Lager nicht sichtbar ist. Im Schnitt C, Figur 15, erkennt man das zweite Lager, das von der Schrumpfhülse 30 verdeckt worden ist. Die Vergrösse- rung eines Details aus Figur 15 zeigt Figur 16. Beim Aufziehen wird die Hülse 30 erwärmt, über das eine Schrägwalzenlager 26 auf dem Hülsenteil 20 geschoben und dann das Schrägwalzenlager 16 am Kernteil 11 eingeschoben (oder umgekehrt) und dann erkalten gelassen. Der Sitz ist fest genug, dass er nur mit grosser Kraft wieder getrennt werden kann. Dabei ist wiederum zu beachten, dass eine solche Achse sich erheblich erwärmen kann, was bei der Erhitzung der Hülse für die Schrumpfung einkalkuliert werden muss.

Die Figuren 17 und 18 zeigen in zwei verschiedenen Perspektiven den Radsatz so, dass man in Figur 17 von unten in die Schrumpfhülse sehen kann, wo man das Schrägwalzenlager 26 erkennt und in Figur 18 von oben, wo man sehen kann, wie der Kernteil 11 in die Schrumpfhülse 30 ragt.

Im Normalbetrieb sind die gegenseitigen Rotationen der Achsteile sehr klein, wenige Winkelgrade nur. So könnte man die Walzenlager durch ein elastisches Medium ersetzen, bspw. durch einen stramm auf die Achse aufgesetzten Ring bspw. aus einem Kohlefaserverbund, wobei man die Achse mit ringförmigen Rillen und Wülsten versehen würde um einen Formschluss zu erzielen. Da grosse Kräfte auf das Material wirken, sollte man für die elastische Spannung nicht an die Grenze der irreversiblen Fliessgrenze gehen. Bei einer solchen Lösung könnte man die Hülse 30 mit radialen Stiften als Formschluss befestigen (nicht gezeigt). Diese Massnahmen sind jeweils zur Unterstützung der einem Auseinanderziehen entgegenwirkenden Bin- dungskräfte im und am Schmiermittel vorgesehen, damit die Achsteile sich nicht über ein geringes Mass in axialer Richtung voneinander bewegen können.

Die Figuren 19 bis 22 zeigen eine weitere beispielsweise Ausfuhrungsform eines Reibschlusses zur Unterstützung der Bindungskräfte des Schmiermittels und des Vacuumwiderstandes. Auf die beiden Teilachsen 10 und 20 sind je ein Formschlussring 17 und 27 zu einem Presssitz aufgeschrumpft. Obschon sie in der Schnittdarstellung von Figur 20 einstückig dargestellt sind, ist es kostengünstiger einen Ring aufzupressen als Formschlussringe anzuformen, was natürlich auch möglich ist, wenn es aus irgendwelchen Gründen gewünscht ist. Im zusammengeschobenen Zustand verhalten sich die Formschlussringe gleich wie die oben vorgeschlagenen Doppelschrägwalzenlager. Allerdings kann man dann nicht die Lösung mit der Schrumpfhülse 30 gemäss Figuren 14 bis 18 benützen. Doch für beide Ausführungsformen kann die nächste Formschlussvariante gemäss den Figuren 23 und 24 verwendet werden.

Diese weitere, hier in den Figuren 23 und 24 dargestellte Variante eines Formschlusses besteht bspw. in zwei Halbschalen 35 mit Flanschen 39, die über Schraubverbindungen miteinander verbunden sind. Dafür sind in den Flanschen 35 Bohrungen 37 vorgesehen. Aus Festigkeitsgründen können an den Flanschen natürlich mehrere solche Bohrungen vorgesehen sein. Femer erkennt man eine Ausnehmung 38 für die Achsen 10 und 20, in welche Ausnehmung eine Dichtung eingebracht werden kann. Eine der beiden Halbschalen 37 weist fakultativ ein Schmierventil 36 auf, durch welches in den nach dem Zusammenfügen der Halbschalen verkapselten Innenraum Schmiermittel gefüllt werden kann. Ein solches Schmiermitteldepot dient einerseits zur Schmierung der Schrägwalzenlager 16 und 26 und andererseits zur Stabilisierung der aus den beiden Halbschalen 35 gebildeten Verkapselung, sobald sich nach dem Anfahren ein schleppendes Mitdrehen auf der Achse einstellt. So wie alle Figuren nur zur Illustration dienen und nicht massstabsgetreu sind, so sind auch die Halbschalen übermässig massiv dargestellt, um deren Bahntauglichkeit zu illustrieren.

Die in den beiden Figuren 23 und 24 gezeigte Ausfuhrungsform ist, genau genom- men, eine Kombination von Reibschluss und Formschluss. Die Formschlussringe 17 und 27 oder Doppelschrägwalzenlager 16 und 26 sind auf die Achse gepresst (Reibschluss) und sie sind auf beiden Seiten durch die Halbschalen gegen eine axiale Auslenkung abgestützt (Formschluss). Den nach aussen wirkenden axialen Kräften steht somit das Vakuum bzw. die Bindungskräfte im Schmiermitteldepot 6 zwischen den Achsteilen und die Kombination Reib-/Formschluss entgegen und in der normalen Fahrt auch die beiden Spurkränze 1. So werden die hier diskutierten Sicherheitsvorkehrungen nur bei einer Entgleisung, das heisst beim Auslenken der Spurkränze von den Geleisen, wesentlich belastet. Diese Ausnahmesituation geschieht jedoch schlagartig, das heisst mit einer sehr hohen Scherbeschleunigung des Schmiermittels. Einer solchen Beschleunigung setzen nebst der Trägheitskraft die Scherkräfte einen der Beschleunigung entgegengesetzte Kraft von gut 100 kN entgegen, sodass die Achse bis zum Stillstand zusammen bleibt. Diesen hydrodynamischen Effekt kann man erhöhen, in dem man sogenannte dilatante Fluide einsetzt, deren Dampfdruck jedoch in der Regel höher sind.

Silikonöle können als Partikelsuspension dilatantes Fliessverhalten erreichen ohne Dampfdruckerhöhung was bspw. bei einer reinen Graphitpartikelschmierung auch der Fall ist. Ferner wirken auch die Rückstellkräfte des Drehgestells einer Teilung der Achshälften entgegen. Bei einer Kernlänge von bspw. einem Meter braucht es enorm viel, um ein vollständiges Auseinandergleiten der Achshälften zu provozieren. Aufgrund der Konizität der Radlaufflächen wirken ständig Kräfte gegen die Achsmitte und stabilisieren den Zusammenhalt der Achsteile.

Die Labyrinthdichtung zeigt ausserdem aufgrund der Rippen einen Hydrodynami- sehen Effekt . Die Hülsen- oder Kernteile können auf einer oder beiden Oberflächen radial (ringförmig) gerippt oder mit Mäanderstruktur versehen sein, was so eine Dichtung ausmacht. Bei Drehbewegung erhöhen diese parallel zur Strömungsrichtung ausgerichteten Schikanen die Wandschubspannung, resp. das Drehmoment nur wenig. Bei axialer Bewegungsrichtung, d.h. quer zu den Rippen fuhrt ein hydrodynamischer Effekt (Sekundärströmungen, lokale Wirbelstrukturen) aber zu einer starken Erhöhung der örtlichen Scherkräfte.Sollte bspw. das Schmiermittel trocken laufen oder durch Hitze verdampfen, dann werden sich die Achsteile in kurzer Zeit durch Reibung gegeneinander festfressen und aus der differenzdrehzahlfahigen Achse wird so eine konventionelle Starrachse, welche zu gegebener Zeit durch die erfindungsgemässe Achse ersetzt werden kann. Dies ist ein weiteres Sicherheitsmerkmal, nämlich, dass bei einem Schadenfall dieser Art die gegeneinander bewegliche Achse sozusagen auf ihren Ursprung zurück fallt.

Da dem zwischen den Achsteilen wirkenden Schmiermittel eine wichtige Bedeutung zukommt, ist die Auswahl desselben mit viel Überlegung zu begegnen. Hitzebestän- dige Schmiermittel sind unter den meisten Silikonverbindungen zu finden, die zudem die Eigenschaft von der Temperatur weitgehend unabhängigen Viskosität haben.. Wesentlicher ist der Siedepunkt unter niedrigen Drücken, welche stets dann auftreten, wenn die axiale Länge sich zu vergrössern tendiert.

Für die „hydraulische" Verbindung mittels Schmierfilm zwischen den Achsteilen kommen in erster Linie flüssige Produkte, bspw. synthetische Öle in Frage. Dieser hydraulischen Verbindung und Auslegung der Bauteile wird auch Viskokupplung genannt. Besonders geeignet sind Silikonöle (lineare Polydimethylsiloxane mit dyn. Viskositäten zwischen 1'0OO - 100'0OO mPa s), welche sich für Temperaturbereiche zwischen -60 ... + 250 C eignen. Sie sind physiologisch unbedenklich und auch aufgrund der geringen Temperaturabhängigkeit interessant. Eine Dampfbildung, welche Achsteile auseinander treiben könnte, kann weitgehend ausgeschlossen werden, da die meisten Silicone geringste Dampfdrucke haben und bei höheren Temperaturen in Kieselsäure zerfallen. Für die Viskokupplung zwischen Hülse 21 und Kern 11 der beiden Achsteile werden vorzugsweise dilatante (scher-verzähende) Fluide verwendet. Dafür kommen bspw. vernetzte Silicone oder Suspensionskonzentrate in Frage, welche mit steigender Scherung überproportional zäher (härter) werden. Für die Wälz-, Rollen- oder anderen Lagertypen, welche den axialen Zusammenhalt der Achse gewährleisten, ist ein solches Theologisches Verhalten bestens geeignet, da dort in Kurven die gleichen geringen Relativbewegungen auftreten, beim Schlupf eines Rades aber eine „Verhärtung" wünschenswert ist.

Die Anforderung an die Schmierung der Achslager, meist Druck geschmiert, ist gegensätzlich. Hierfür kommt nur ein für die Achslager gebräuchlicher, in aller Regel ein Schmierstoff in Frage, welcher auch bei hohen Schergeschwindigkeiten niedrige Scherkräfte aufweist. Bahntechnisch einfacher wäre daher eine kombinierte Schmierung von Achslagern, Viskokupplung (Steckhülse) und Lager des Zusammenhalts mit der gleichen Druckschmieranlage. Diese Art Schmierung ist für die nachfolgend, beschriebene angetriebene Achse zweckmässig.

Festschmierstoffe, wie Graphit, Molybdändisulfid oder Bortrioxid wären zwar für hohe Temperaturen und Belastungen bei niedrigen Relativgeschwindigkeiten, wie sie in der erfindungsgemässen Bahnachse auftreten, auch wegen der Notlaufeigenschaften geeignet. Hingegen ist das Dichtungsverhalten begrenzt, was die Anwendung als Kraftschlussmittel einschränkt. PTFE könnte aufgrund des Fliessverhaltens hierfür geeignet sein. Die Beschickung und Bevorratung von Festschmierstoffen erfordert spezielle Verfahrensweisen.

Nach längerer Betriebsdauer könnte sich der Schmierstoff- Vorrat erschöpfen. Bei Mangelschmierung entsteht ein gewisser Oberflächenverschleiss, welcher in Kauf genommen werden kann. Nach Festfahren ist die Achse immer noch als konventionelle Starrachse betriebsfähig. Die Figuren 25 und 26 zeigen einen teilweise auseinandergezogenen Radsatz, der mit einem Antrieb 8 pro Achsteil wie beispielsweise je ein Elektromotor für das Kernteil 10 sowie für das Hülsenteil 20 bestückt ist. Diese beiden Motoren 8 treiben die beiden von einander unabhängig drehbaren Achsteile 10, 20 an. Der schematisch dargestellte Motor 8 weist koaxial auf dem Achsteil den Rotor auf, sodass die Rotoren koaxial zum jeweiligen Achsteils 10, 20 positioniert sind. Der Stator wird über eine Verbindung (nicht dargestellt) an die Struktur des Drehgestells befestigt. Jeder Achsteil, in diesem Fall, das Hülsenteil 20 und das Kernteil 10 weisen eine Bremsvorrichtung 5 auf, die über Kühlluftlamellen 4 gekühlt und statt auf der Achse vorzugsweise im Rad integriert ist. Ein Vorteil dieser Ausführung ist, dass sich jeder Achsteil 10, 20 unabhängig von dem Partnerteil ersetzen lässt und sich daher Material und Anschaffungskosten reduzieren lassen.

In Fig. 27 bis 29 ist eine weitere Ausführung der Erfindung schematisch dargestellt, wobei der gemeinsame Antrieb, die beiden Motoren 8.1, 8.2 nicht koaxial, sondern oberhalb resp. neben dem Radsatz positioniert ist, derart dass die ungefederte Masse nicht erhöht wird. Er wird über eine Motoraufhängung 31 an das Drehgestell fixiert. Der Antrieb ist wiederum in zwei von sich unabhängigen Antriebseinheiten, einen Elektromotor 8.1 für den Hülsenteil und einen Elektromotor 8.2 für den Kernteil unterteilt und treibt das entsprechende Hülsenteil 20 sowie das Kernteil 10 an. Der Antrieb erfolgt über die Antriebswelle des Motors 9.2, an welche eine entsprechende formschlüssige Antriebsverzahnung 9.1 angeordnet ist. Die hier aufgezeigte Ausführungsform stellt die jeweilige Achse 10, 20 mit einer Antriebsverzahnung / Kernteil 15.2 sowie Antriebsverzahnung / Hülsenteil 15.1 koaxial zu den Achsen dar. Ein weiteres Merkmal ist, dass eine Bremswirkung in dieser Ausführung über bzw. durch den gemeinsamen Antrieb bzw. den Teilmotoren 8.1 , 8.2 erfolgen kann. In diesen Figuren sind separate Bremsen aus zeichnerischen Platzgründen nicht dargestellt. Das vorgeschlagene Motorenpaar 8.1, 8.2 wird elektronisch gesteuert und bildet so ein System (nicht dargestellt), welches eine Antischlupfregelung ermöglicht, die pro Rad auf unterschiedliche Haftbedingungen reagieren kann, was bspw. bei einer herkömmlichen Lokomotive nicht möglich ist. Bei der Antischlupfregelung besteht das Sensor/Aktor-System aus Motor und dessen Regelung alleine ohne externe Sensoren. Sieht man das Motorenpaar lediglich als Aktor an, so geschieht die Regelung des Systems Sensoren/ Aktoren vorschlagsweise über Sensoren, die bspw. vor dem Kurveneinlauf an der Schiene angebracht sind und aktiv (als Sender) oder passiv (als Transponder) wirken. Der Schienenweg kann auch optisch oder mit Radarfrequenzen abgetastet werden und die gewonnene Information dem Regelkreis zugeleitet werden.

Durch die unterschiedlichen Drehmomente auf die Räder wird eine radiale Ausrichtung der Achse für Kurvenfahrten ermöglicht, indem bspw. beim äusseren Schienenverlauf, bzw. grosseren Kurvenradius Drehzahl und Drehmoment gegenüber dem inneren Rad erhöht werden. Auf geraden Strecken und bei hohen Geschwindigkeiten erhöht die paarweise Regelung der Antriebsmotoren die Laufstabilität und zwecks gleichmässiger Abnützung von Rad und Schiene wird zudem ein kontrollierter Sinuslauf aufgeprägt. Mit diesem System kann die „Elastizität" resp. Steifheit der Achse bedarfsabhängig gesteuert werden. Zum Beispiel soll die Achse in Kurven im Wesentlichen weich (elastisch) und bei geraden Strecken im Wesentlichen starr eingestellt sein.

Der erweiterte Radsatz für ein Schienenfahrzeug mit einer Achse und zwei endständigen Rädern, wobei die Achse unter Beibehaltung des äusseren Achsdurchmessers eine in zwei Achsteilen 10,20 geteilte Achse mit Schmiermittelzufuhrungen 12, 21 ist, wobei ein Achsteil 10 eine teilweise auf einen kleineren Durchmesser abgedrehte Längsteil 11 aufweist und der andere Achsteil (20) eine Längsbohrung zur Formung einer Aufnahme 21 für den auf den kleineren Durchmesser abgedrehten Längsteil 11 aufweist, hat vorzugsweise für jedes Achsteil ein erster Antrieb 8; 8.2 für den Achsteil 10 mit dem Kern 11 und ein zweiter Antrieb 8; 8.1 für den Achsteil 20 mit der Hülse 21, wobei die Antriebe vorzugsweise als Elektromotoren ausgebildet sind und elektronisch zu einem gemeinsamen System gekoppelt sind.

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Radsatz für ein Schienenfahrzeug mit einer Achse und zwei endständigen Rädern, wobei die Achse unter Beibehaltung des äusseren Achsdurchmessers eine in zwei Achsteilen (10,20) geteilte Achse mit Schmiermittelzufuhrungen (12, 21) ist, wobei ein Achsteil (10) eine teilweise auf einen kleineren

Durchmesser abgedrehte Längsteil (11) aufweist und der andere Achsteil (20) eine Längsbohrung zur Formung einer Aufnahme (21) für den auf den kleineren Durchmesser abgedrehten Längsteil (11) aufweist und im zusammengeführten Zustand einerseits zum abgedrehten Längsteil (11) stirnseitig und andererseits endständig in der Aufnahme (21) für den abgedrehten Längsteil (11) ein

Schmiermittelhohlraum (6) in Verbindung mit den Schmiermittelzufuhrungen (12,22) aufweist.

2. Radsatz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Aufnahme von Schmiermittel eine Schmiermittelzuführung (12,22) entweder durch den Achsteil (10) mit dem Kern (11) oder durch den Achsteil (20) mit der Hülse (21) vorgesehen ist.

3. Radsatz nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Unterstützung der Schmiermittelzugabe ein Entlastungskanal (19) vorgesehen ist.

4. Radsatz nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Entlastungskanal (19) gegen aussen einen Abschluss ( 18) aufweist.

5. Radsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in der Schmiermittelzufuhrung ein Schmiermittelvortrieb mittels eines vortreibenden Einsatzes (40) vorgesehen ist.

6. Radsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bemessung zwischen dem konzentrischen Schmiermittelringspalt und Hohlraum

(6) mit einem der Schmiermittelkanäle (12,22) ein Volumenverhältnis von mindestens 1:100 geschaffen ist.

7. Radsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmiermittelhohlraum (6) mit dem Volumen des mit dem Hohlraum verbundenen Schmiermittelkanals (12,22) ein Schmiermittelgesamtdepot für eine

Fahrleistung von ungefähr 50¹OOO Kilometer aufweist.

8. Radsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Unterstützung der axialen Festigkeit jeder Achsteil (10, 20) eine Vorrichtung (16, 26;17,27) aufweist, welche durch einen weiteren Vorrichtungsteil (30,35) zusammengehalten werden.

9. Radsatz nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die auf den Achsteilen befestigte Vorrichtungen Rollläger (16,26) sind und der die Rollläger zusammenhaltende Vorrichtungsteil eine Schrumpfhülse (30) für einen Reibschluss ist.

10. Radsatz nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die auf den Achsteilen befestigte Vorrichtungen Rollläger (16,26) sind und der die Rollläger zusammenhaltende Vorrichtungsteil Halbschalen (35) für einen Formschluss sind.

11. Radsatz nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die auf den Achsteilen angeordneten Vorrichtungen Formschlussringe (17,27) sind und der die Formschlussringe zusammenhaltende Vorrichtungsteil Halbschalen (35) für einen Formschluss sind.

12. Radsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das verwendete Schmiermittel dilatante Eigenschaften aufweist.

13. Radsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das verwendete Schmiermittel Festpartikel aufweist.

14. Radsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Schmiermittel ein Silikonöl mit Zusätzen zur Erzielung stark dilatanter Eigenschaften ist.

15. Radsatz für ein Schienenfahrzeug mit einer Achse und zwei endständigen Rädern, wobei die Achse unter Beibehaltung des äusseren Achsdurchmessers eine in zwei Achsteilen (10,20) geteilte Achse mit Schmiermittelzufuhrungen (12, 21) ist, wobei ein Achsteil (10) eine teilweise auf einen kleineren Durchmesser abgedrehte Längsteil (11) aufweist und der andere Achsteil (20) eine Längsbohrung zur Formung einer Aufnahme (21) für den auf den kleineren Durchmesser abgedrehten Längsteil (11) aufweist und für jedes Achsteil ein erster Antrieb (8; 8.2) fiir den Achsteil (10) mit dem Kern (11) und ein zweiter Antrieb (8; 8.1) fiir den Achsteil (20) mit der Hülse (21) vorgesehen ist.

16. Radsatz nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebe Elektromotoren (8.1, 8.2) sind, wobei die Rotoren der Elektromotoren koaxial oder nicht-koaxial, aber dann über ein Getriebe (9.1) die Achsteile gemeinsam aber gesondert antreiben.

17. Radsatz nach den Ansprüchen 16 und 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektromotoren (8.1, 8.2) elektronisch miteinander gekoppelt sind.

18. Radsatz nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektromotoren Teil eines Regelsystems aus Aktoren/Sensoren sind.