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Spiel- und wartungsfreies Führungslager, insbesondere für Achslager
und Drehzapfenführungen von Schienenfahrzeugen Die Erfindung betrifft die Ausbildung
von spiel-und wartungsfreien Führungslagern für Achslager und Drehzapfenführungen
von Schienenfahrzeugen.
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Bekannte Achslagerführungen sind mit zylindrischen Führungszapfen
als Säulenführungen versehen, die entweder seitlich vom Achslagergehäuse parallel
nebeneinanderliegend oder gleichachsig übereinander am Achslagergehäuse oder am
Rahmen befestigt sind. Dabei sind aus verschiedenen Gründen die Führungszapfen mit
gummielastischen Führungsbüchsen umgeben.
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Vorausestzung für einen ruhigen Lauf der Fahrzeuge, vornehmlich bei
Fahrzeugen mit Treibachsen, ist eine praktisch spielfreie und in Fahrtrichtung genaue
Achsführung. Daher müssen die erwähnten Achslagerführungen an den Gleitflächen zwischen
Führungszapfen und Führungsbüchse mit hohem Unterhaltungsaufwand sorgfältig geschmiert
und gewartet werden, um einen frühzeitigen Verschleiß und einen daraus folgenden
unruhigen Lauf zu vermeiden.
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Um die Achslagerführungen wartungsfrei zu machen, hat man versucht,
die elastischen Führungsbüchsen durch als Hülsengummifedern ausgebildete Lager zu
ersetzen, die den gesamten axialen Federweg ohne Gleiten aufnehmen. Wegen der großen
Federwege ist hierbei jedoch eine entsprechende Gummiwandstärke erforderlich, die
die Führungseigenschaften auf Grund ihrer zu großen radialen Weichheit nachteilig
beeinflußt.
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Wird zur Erzielung einer größeren Steifheit eine härtere Gummiqualität
verwandt, so wird wiederum die Achsfederung zu hart. Wegen des bei allen Hülsengummifedern
ungünstigen Verhältnisses der radialen zur axialen Federsteife hat man ferner versucht,
den bei den Hülsengummifedern mit den inneren und äußeren Hülsen fest verbundenen
Gummi in einzelne, als Ringe ausgebildete Abschnitte aufzuteilen und diese so zwischen
Führungszapfen und Führungsbüchse einzubringen, daß sie beim Einfedern unter geringem
Kraftaufwand leicht abrollen, während in radialer Richtung eine ausreichende Steifheit
beibehalten wird.
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Abgesehen von den Schwierigkeiten, mehrere Gummiringe hintereinander
mit gleichmäßigem Abstand in den Führungsgliedern anzuordnen, besteht die Gefahr,
daß sie sich bei gleichzeitigem Auftreten von Radial- und Axialbewegungen zueinander
verschieben und damit gegeneinanderreiben und verschleißen.
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Man war daher gezwungen, entweder zwischen den einzelnen Gummiringen
zusätzlich reibungsarme oder gleitfähige Abstandsstücke unterzubringen oder aber
mindestens eines der Führungsglieder mit besonderen Laufflächen für jeden einzelnen
Gummiring zu versehen, die gewährleisten sollen, daß der ursprüngliche Abstand der
einzelnen Ringe zueinander gewahrt bleibt. Es ist offensichtlich, daß diese Hilfsmaßnahmen
mit hohem Aufwand und entsprechenden Kosten verbunden sind.
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Auch bei den bekannten Gummifedern, bei denen Gummiringe zwischen
zwei koaxialen kegeligen Flächen axial abrollen sollen, ergeben sich die Schwierigkeiten,
daß die ursprüngliche Lage der Gummiringe bei gleichzeitigem Auftreten radialer
Beanspruchung nicht mehr gewährleistet ist. Während sich die radial druckbelastete
Fläche in axialer Richtung vergrößert, verkürzt sich die entlastete Fläche, was
bei gleichzeitigem Einfedern zu einem ungleichmäßigen Abrollen führt.
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Eine Aufteilung der Gummiringe in einzelne Segmente, um beispielsweise
eine unterschiedliche radiale Federung in Fahrzeuglängs- und -querrichtung zu erhalten,
ist bei den beschriebenen Ausführungsformen nicht möglich.
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Die erfindungsgemäßen Lager sollen diese aufgezeigten Mängel und Nachteile
vermeiden. Sie sollen neben einer völligen Spiel- und Wartungsfreiheit eine möglichst
große radiale und zugleich eine möglichst kleine axiale Steifheit vereinigen und
bei niedrigstem Herstellungsaufwand ein verschleißfreies und sicheres Arbeiten gewährleisten.
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Ferner soll es möglich sein, die Lager so auszubilden, daß sie beispielsweise
quer zur Fahrtrichtung weicher sind, als es die zur guten Radführung notwendige
radiale Steifheit in Längsrichtung erfordert. Man erhält damit elastische Führungslager,
die in ihren drei Belastungsebenen optimale Federungseigenschaften aufweisen können.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird die gleichzeitige Anwendung nachstehender,
zum Teil im einzelnen bekannter Merkmale vorgeschlagen:
1. Zwischen
zwei koaxial angeordneten zylindrischen Führungsgliedern werden in bekannter Weise
elastische Einlagen aus Gummi oder ähnlichem Werkstoff mit ursprünglich rundem oder
annähernd rundem Querschnitt unter Druckvorspannung eingebracht.
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2. Diese elastischen Einlagen sind über die Druckvorspannung hinaus
mit mindestens einem der Führungsglieder zusätzlich festhaftend verbunden.
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3. Die festhaftende Verbindung zwischen den Gummieinlagen und den
Führungsgliedern erfolgt lediglich auf einer schmalen Mantelfläche.
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Die Vorteile dieser erfindungsgemäßen Führungslager sind vor allem
darin zu sehen, daß die zwischen den als starre Hülsen ausgebildeten Führungsgliedern
eingepreßten Gummieinlagen mit ursprünglich rundem Querschnitt durch das Einpressen
radial stark zusammengedrückt und entsprechend axial verlängert werden. Durch diese
radiale Verformung des Gummiringquerschnittes wird eine hohe Steifheit des Lagers
in radialer Richtung erzielt. Da über die vom Einpressen herrührende Druckvorspannung
hinaus eine zusätzliche festhaftende Verbindung mit einer der Hülsen vorhanden ist,
bleibt die Lage der Gummiringe stets eindeutig erhalten, und ein Verschieben ist
selbst unter ungünstigsten Betriebsbedingungen ausgeschlossen.
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Weitgehend entscheidend bei dieser erfindungsgemäßen Lagerausführung
ist jedoch die Höhe der Mantelfläche, mit welcher die Gummieinlagen mit den Hülsen
festhaftend verbunden sind. Bei einer axialen Relativbewegung der Hülsen zueinander
erfolgt ein Abrollen der Gummieinlagen bis zu dem Punkt, an welchem die Vulkanisation
mit der Hülse beginnt. Bis zu diesem Bereich, der der gesamten Achsfederung entspricht,
ist infolge der möglichen Rollbewegung eine leichte axiale Verschiebung gewährleistet,
da hierbei nur geringe Schubspannungen im Gummi auftreten.
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Wie durch Versuche ermittelt wurde, kann das Verhältnis der axialen
zur radialen Steifheit derartiger Führungslager auf über 1 : 30 gesteigert werden,
womit die erwähnten Forderungen hinsichtlich einer guten Achsführung gewährleistet
sind. Diese beschriebenen Führungslager haben in allen radialen Belastungsrichtungen
eine gleich große Federkonstante.
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Bei Fällen, bei denen beispielsweise die Federung quer zur Fahrtrichtung
größer sein soll als in dieser, können Ausführungsformen vorgesehen werden, bei
denen die elastischen Einlagen innerhalb der Hülsen in einzelne Segmente aufgeteilt
sind, die untereinander einen bestimmten Abstand aufweisen. Die radiale Steifheit
in Richtung dieser Segmente ist dann erheblich größer als quer dazu.
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In. weiterer Ausführung des Erfindungsgedankens müssen die inneren
und äußeren Führungsglieder nicht zylindrisch ausgeführt werden. Das Achslagergehäuse
kann ebenso wie der Drehgestellrahmen gerade Führungsflächen aufweisen. Hierbei
werden dann Führungslager zwischengeschaltet, bei denen die elastische Einlage als
Gummiwalze mit ursprünglich ebenfalls rundem Querschnitt auf einer schmalen Mantelfläche
über ihre Länge mit mindestens einer Führungsplatte festhaftend verbunden ist. Im
eingebauten Zustand ist der runde Herstellungsquerschnitt durch starke Verformung
senkrecht zu den Haftflächen mit den Führungsplatten zusammengedrückt und in einem
länglichen Querschnitt verformt. Eine derartige Lagerausbildung erlaubt ebenfalls
eine hohe Verschiebung der Führungsplatten zueinander bei geringstem Widerstand,
da die Gummiwalze wiederum so lange abrollen kann, bis der Punkt erreicht ist, an
dem die feste Haftung mit den Führungsplatten beginnt. Erst beim überschreiten dieses
Punktes erfolgt ein höherer Widerstand. Demgegenüber ist die Federkonstante in Druckrichtung
sehr hoch. Je nach geforderter Steifheit in Fahrt- oder Querrichtung können mehrere
Führungslager zwischen Achslager und Drehgestell verwendet werden, wobei die jeweilige
Anzahl in beiden Richtungen unterschiedlich sein kann.
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Zur Erläuterung des Erfindungsgedankens sind in den Zeichnungen die
wesentlichen Merkmale an einem Ausführungsbeispiel dargestellt, und zwar zeigt A
b b. 1 den Schnitt durch eine Achslagerführung unter Verwendung der erfindungsgemäßen
Führungslager mit zylindrischen Führungszapfen ober- und unterhalb des Achslagers,
A b b. 2 einen Schnitt durch ein Führungslager nach A b b. 1 in seinem Herstellungszustand,
während A b b. 3 das gleiche Lager im Fertigzustand veranschaulicht, und zwar in
mittlerer und auch einseitig axial verformter Stellung; A b b. 4 zeigt die Ansicht
einer Ausführung mit in einzelne Segmente aufgeteilten elastischen Einlagen; A b
b. 5 und 6 stellen Ansichten von Führungslagern mit geraden Führungsplatten dar,
und zwar sowohl im Herstellungs- als auch im Einbauzustand bei voller Vertikalfederung.
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Nach A b b. 1 hat das Achslagergehäuse 1 einen oberen Führungszapfen
2 und einen unteren Führungszapfen 3 mit rundem Querschnitt. Auf diesen sind die
inneren Hülsen 4 und 5 der Führungslager befestigt, während die äußeren Hülsen 6
und 7 mit dem Drehgestellrahmen 8 fest verbunden sind. Zwischen diesen Hülsen befinden
sich die elastischen Einlagen 9 und 10 aus Gummi oder ähnlichem Material. Diese
Führungslager müssen die gesamte Federung in vertikaler Richtung A übernehmen, wobei
sich der obere Führungszapfen 2 mit dem Druckstück 11 auf der nicht dargestellten
Achsfeder abstützt. Diese Vertikalbewegung muß möglichst kräftefrei sein, d. h.
eine kleine Federkonstante aufweisen, um die Achsfederung nicht wesentlich zu beeinflussen.
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Durch die auftretenden Querkräfte, beispielsweise bei Kurvenlauf,
wirken außerdem noch horizontale Kräfte B auf die Führungslager. Ebenfalls horizontale
Kräfte, und zwar senkrecht zur Zeichenebene, treten bei Brems- und Zugkräften auf,
wobei die Nachgiebigkeit, insbesondere unter den letztgenannten Kräften, zur Erreichung
guter Laufeigenschaften sehr gering sein muß, d. h., es wird eine hohe radiale Federkonstante
gefordert.
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Diesen Forderungen entsprechen die erfindungsgemäßen Führungslager,
wie sie aus A b b. 2 und 3 ersichtlich sind. An der inneren zylindrischen Hülse
20 ist nach A b b. 2 die elastische Einlage 21, die im wesentlichen einen Kreisquerschnitt
hat, durch Vulkanisation oder andere geeignete Klebemittel mit dieser festhaftend
verbunden. Die Haftung erfolgt nur auf einer schmalen Mantelfläche 22, `deren Höhe
durch die eingezeichneten Fasern 23 und 24 begrenzt ist. In diesem Zustand ist die
innere Hülse 20 : mit
ihrer elastischen Einlage 21 mittels eines
Trichters oder anderer geeigneter Vorrichtungen in die äußere zylindrische Hülse
30 eingepreßt, wie es auf der linken Seite der A b b. 3 dargestellt ist. Die elastische
Einlage 31 unterliegt demnach starker radialer Druckspannung, wie aus der Verkürzung
der Fasern 32 und 33 ersichtlich ist. Gleichzeitig ist sie in axialer Richtung gedehnt.
Durch diese radiale Druckvorspannung ist auch die radiale Federkonstante entsprechend
hoch.
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Erfolgt eine axiale Relativbewegung der Hülsen 20 und 30 zueinander,
so rollt die Einlage 21 auf Grund ihres ursprünglichen runden Querschnittes ohne
Gleiten und Verschleiß an diesen ab. Lediglich die durch die anvulkanisierte Ringfläche
34 bedingte schmale Zone unterliegt Schubspannungen, die zum größten Teil dadurch
aufgehoben werden, daß sich deren Fasern 32 und 33 durch Verlängerung ihrer ursprünglichen
Größe nähern. Auf der rechten Darstellung in A b b. 3 ist die äußere Hülse 30 gegenüber
der inneren Hülse 20 um den Federweg »f« nach oben verschoben, die elastische
Einlage 31 durch Abrollen um den Betrag »f/2«. Die Fasern 35 und 36 haben sich entsprechend
verlängert. Dadurch ist eine große Axialbewegung bei geringsten Kräften möglich,
d. h., die axiale Federkonstante ist gering bis zu dem Bereich, wo sich bei weiterer
Verformung die mit der inneren Hülse 20 verbundene Ringfläche 34 infolge der Abrollbewegung
ablösen will. Erst bei überschreiten dieses Punktes entstehen durch auftretende
Zugspannungen zusätzliche erhöhte Kräfte.
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In diesem Zusammenhang sei erwähnt, daß es im Rahmen der Erfindung
möglich ist, in gemeinsamen Innen- und Außenhülsen mehrere elastische Einlagen hintereinander
einzubringen, wobei über eine Ringfläche die feste Haftung auch mit der äußeren
an Stelle der inneren Hülse erfolgen kann. Auch können mehrere Führungslager konzentrisch
ineinandergefügt werden. Ferner können zur Erzielung gekrümmter Axialfederkonstanten
die Hülsen an Stelle der dargestellten zylindrischen Rollflächen auch kegelige,
konkave und/oder konvexe Rollflächen aufweisen.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach A b b. 3 ist die Radialfederkonstante
in jeder Belastungsebene gleich groß. A b b . 4 dagegen zeigt in Ansicht eine Ausführungsform,
bei welcher die Federkonstanten bei radialer Beanspruchung in zwei zueinander senkrechten
Richtungen verschieden sind. Zwischen der äußeren Hülse 40 und der inneren Hülse
41 befinden sich zwei elastische Einlagen 42 und 43 mit ursprünglich ebenfalls rundem
Querschnitt und entsprechender Druckvorspannung, die durch die Abstände 44 und 45
voneinander getrennt sind. Die Federkonstante in Richtung C, beispielsweise in Fahrtrichtung,
ist somit wesentlich größer als in Richtung B, der Richtung der Querkräfte.
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In A b b. 5 sind an Stelle der Hülsen die Rollflächen als gerade Führungsplatten
50 und 51 ausgebildet, an welche die elastische Einlage als Walze 52 mit zwei Mantelflächen
53 und 54, die durch die Fasern 55 und 56 begrenzt werden, fest verbunden ist.
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Aus dem Einbauzustand im gleichzeitig vertikal eingefederten Zustand
nach A b b. 6 ist ersichtlich, wie sich die Gummiwalze 60 länglich unter der Druckvorspannung
zwischen den Führungsplatten 61 und 62 verformt hat. Während in der Druckrichtung
D die Federkonstante hoch ist, ist sie senkrecht hierzu in Richtung E klein, da
sich die Gummiwalze 60 an den geraden Führungsplatten 61 und 62 abgewälzt hat. Der
entstandene Faserverlauf ist durch die-Fasern 63 und 64 der Haftflächen 65 und 66
dargestellt.
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Abweichend von A b b. 6 kann ebenfalls mindestens eine der Führungsplatten
61 bzw. 62 eine konische oder konkave bzw. konvexe Rollfläche aufweisen, wodurch
die Vertikalfederkonstante weitgehend variiert werden kann.
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Die Anwendung der beschriebenen erfindungsgemäßen Führungslager ist
nicht nur auf Achslagerführungen beschränkt, sondern kann überall dort vorteilhaft
vorgesehen werden, wo eine spiel- und wartungsfreie Führung mit unterschiedlichen
Federkonstanten in den einzelnen Belastungsrichtungen erforderlich ist, so beispielsweise
unter anderem auch bei Drehzapfenführungen und Lagerungen zwischen Drehgestell und
Wagenkasten von Schienenfahrzeugen.
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Anspruch 1 schützt nur die Kombination der in diesem Anspruch enthaltenen
Merkmale; die Ansprüche 2 bis 5 gelten als echte Unteransprüche nur in Verbindung
mit dem Anspruch 1.