DE19509429C1

DE19509429C1 - Lenkeinrichtung für Radsätze eines Schienenfahrzeug-Drehgestells

Info

Publication number: DE19509429C1
Application number: DE1995109429
Authority: DE
Inventors: Johannes Dr Ing Nicolin
Original assignee: Waggonfabrik Talbot GmbH and Co KG
Current assignee: Talbot & Co Kg 52070 Aachen De GmbH
Priority date: 1995-03-16
Filing date: 1995-03-16
Publication date: 1996-06-20
Anticipated expiration: 2015-03-17
Also published as: DE19509429C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Lenkeinrichtung für Radsätze eines Schienenfahrzeug- Drehgestells mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.

Diese Merkmale sind bekannt aus US-PS 51 31 332. Dort ist in zwei Varianten beschrieben, wie zwei Radsätzen eines Drehgestells eine Lenkbewegung gegenüber dem auf ihren Lagern abgestützten Drehgestellrahmen aufgezwungen werden kann.

In der ersten Variante werden die Radsätze durch beidseits des Drehgestells angeordnete wagenkastenfeste Steuerhebel (Konsolen) und diese mit den Radsatzlagern verbindende Lenkerstangen horizontal gegenüber dem Drehgestellrahmen verschoben, wenn sich dieser bei Bogenfahrt gegenüber dem Wagenkasten ausdreht.

In der zweiten Variante sind die Steuerhebel pendelnd und in vertikaler Richtung verschiebbar am Wagenkasten aufgehängt und zusätzlich in ihrem zwischen den Anlenkungen der beiden Lenkerstangen gelegenen Bereich am Drehgestellrahmen schwenkbar gelagert. In der Geradeausstellung des Drehgestellrahmens gegenüber dem Wagenkasten liegen die Achsen der beiden Steuerhebel mit der Drehachse des Drehgestellrahmens in einer Ebene.

Bei einem in WO 90/02 068 beschriebenen Drehgestell sind die Radsätze zwangsgelenkt, indem jeweils von den außenliegenden, gegenüber dem Drehgestellrahmen in Längsrichtung verschiebbar angeordneten Radsatzlagern Lenker zu einem etwa vertikal ausgerichteten zweiarmigen Hebel führen, der über eine Drehachse direkt am Drehgestellrahmen angelenkt ist. Die beiden zweiarmigen Hebel sind über ein Rohr torsions- und biegesteif miteinander verbunden. Dieses Rohr wiederum ist am Wagenkasten so angelenkt, daß es bei einem Ausdrehen des Drehgestells unter dem Wagenkasten bei Bogenfahrt nicht bzw. nicht vollständig mit ausgedreht wird. Folglich wird den beiden zweiarmigen Hebeln beim Ausdrehen des Drehgestells eine gegenläufige Schwenkbewegung um deren drehgestellfeste Achsen aufgezwungen, die infolge der Lenkerverbindungen zu den Radsatzlagern eine radiale Einstellung der Radsatzachsen in den Gleisbogen bewirkt.

Bei dieser und ähnlich konzipierten Lenkeinrichtungen (z. B. DE 38 27 412 A1) werden die beiden Radsätze bezüglich des Drehgestellrahmens gegensinnig um gleiche Winkel aus der Normalstellung gedreht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lenkeinrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der die radiale Einstellung mehrerer Radsätze eines Drehgestells in Gleisbögen mit wagenkastenseitigen Steuerhebeln noch weiter verbessert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Merkmale der Unteransprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen dieses Gegenstands an.

Statt der bekannten Zweipunkt-Anlenkung von Steuerhebeln am Wagenkasten und am Drehgestellrahmen werden nun einarmige Steuerhebel beidseits des Drehgestells seitlich pendelnd vom Wagenkasten abgehängt. Diese Einpunkt-Anlenkung ist in Längsrichtung des Fahrzeugs starr, läßt jedoch Schwenkbewegungen um eine quer zur Fahrtrichtung liegende Achse und ggf. zum Ausgleich von Federwegen einer Sekundärfederung eine vertikale Hubbewegung gegenüber dem Wagenkasten zu. Die Steuerhebel sind biegesteife Führungsstangen, an denen die sich zu den Radsatzlagern hin erstreckenden Lenker in unterschiedlichen Abständen (Höhen) von der wagenkastenseitigen Anlenkung bzw. mit unterschiedlichen Hebelarmen angelenkt sind. Die wagenkastenseitigen Anlenkungen der Steuerhebel liegen vorzugsweise, auf die Fahrwegebene projiziert, mit dem Drehzentrum des Drehgestellrahmens in einer Linie.

Damit erfahren die beiden normalerweise parallel zueinander verlaufenden Steuerhebel beim Ausdrehen des Drehgestells unter dem Wagenkasten - d. h., eine Drehgestellseite verschiebt sich nebst Achslagern etwas in Fahrtichtung, die gegenüberliegende Seite etwas gegen die Fahrtrichtung - zwangsläufig durch Längskraftübertragung über die Lenkerstangen eine gegensinnige Winkeländerung gegenüber dem Wagenkasten um zur Fahrwegebene parallele Schwenkachsen.

Mit zunehmendem Abstand von der Anlenkung des jeweiligen Steuerhebels am Wagenkasten nimmt die Komponente dx dieser Winkeländerung in Längs- bzw. x-Richtung zu (Projektion des Steuerhebels auf die Fahrwegebene).

Verformungswiderstände der Primärfederung müssen überwunden werden. Bei einem statischen Ausdrehzustand ergibt sich beidseits des Drehgestells ein Gleichgewicht zwischen der in x-Richtung an der wagenkastenseitigen Anlenkung des Steuerhebels wirkenden bzw. aufzunehmenden Kraft L_x und den x-Komponenten der Primärfedern F_x1 und F_x2:

L_x + F_x1 + F_x2 = 0.

In der Momentenbetrachtung gilt - für den Fall, daß die Abstände zwischen den Anlenkpunkten der Lenkerstangen einerseits und dem oberen Lenkerstangen-Anlenkpunkt und der Steuerhebel-Anlenkung andererseits gleich groß sind - für den unteren Anlenkpunkt am Steuerhebel

L_x × l + F_x1 × l/2 = 0

und für den mittleren Anlenkpunkt am Steuerhebel

L_x × l/2 + F_x2 × l/2 = 0.

Die beiden in unterschiedlichen Abständen von der Steuerhebel-Anlenkung angelenkten Lenkerstangen einer Fahrwerkseite werden dabei in x-Richtung verschoben. Auf der jeweils anderen Fahrwerkseite tritt dieselbe Bewegung in umgekehrter Richtung, jedoch mit gleichen Wegverhältnissen auf. Je nach der Festlegung der horizontalen Steifigkeiten der Radsatz-Lagerfederungen (c_x1; c_x2) stellen sich gemäß dem Gleichgewicht der Kräfte und Momente Wege x₁ bzw. x₂ ein.

Es resultieren Verschiebungsdifferenzen an den Radsatzlagern. Mit bemerkenswert geringem technischem Aufwand werden die Radsätze sowohl gegenüber dem Drehgestellrahmen als auch gegeneinander in eine angenähert radiale Ausdrehstellung gezwungen, ohne die horizontale Beweglichkeit der Radsätze im Verhältnis zum Drehgestellrahmen mehr als erforderlich zu behindern. Das ermöglicht gegenüber den bekannten Ausführungen, bei denen der Steuerhebel am Drehgestellrahmen selbst befestigt ist, auch eine bessere Kompensation von Gleislagestörungen durch Ausweichbewegungen der Radsätze.

Am Beispiel eines Steuerhebels mit der Länge l - von seiner wagenkastenseitigen Anlenkung gemessen - und daran bei l/2 und bei l angelenkten Lenkerstangen läßt sich rechnerisch zeigen, daß bei einer Auslenkung des Steuerhebels um einen Winkel α - der linear vom Ausdrehwinkel des Drehgestellrahmens gegenüber dem Wagenkasten abhängt - die gegenseitige Verschiebungsdifferenz Δx_r,l = α * l ist, d. h. um diesen Weg werden die Radsatzlager auf der bogenäußeren Drehgestellseite weiter auseinandergelenkt als die Radsatzlager auf der Bogeninnenseite.

Weitere Vorteile des Gegenstands der Erfindung gehen aus der Zeichnung eines Ausführungsbeispiels und deren sich im folgenden anschließender eingehender Beschreibung hervor.

Es zeigt in stark vereinfachter Prinzipdarstellung

Fig. 1 eine Skizze einer Seitenansicht eines Fahrzeugs im Bereich eines Drehgestells mit der Lenkeinrichtung,

Fig. 2 die Draufsicht auf zwei zweiachsige Drehgestelle eines Fahrzeugs mit je einer Lenkeinrichtung nach Fig. 1 in der Geradeausstellung und mit angedeuteten geometrisch ermittelten Lenkstellungen der Radsätze.

Gemäß Fig. 1 ist an einem Wagenkasten 1 eines Schienenfahrzeugs, der über Sekundärfedern 2 auf einem Drehgestellrahmen 3 abgestützt ist, auf jeder Längsseite ein Steuerhebel 4 mittels einer Anlenkung 4A so befestigt, daß er Relativbewegungen zwischen Wagenkasten und Drehgestellrahmen in der Sekundärfederung nicht behindert, jedoch im Bereich seiner Anlenkung gegenüber dem Wagenkasten keine Verschiebefreiheit hat. Er ist ferner gegen Querkräfte - in x-Richtung bzw. Fahrtrichtung der Radsätze des Drehgestells und quer dazu - biegesteif, kann aber aus seiner vertikalen Ruhelage in seiner Anlenkung in beide Drehrichtungen ausschwenken, wie durch strichpunktierte schräge Linien mit Schnittpunkt in der Anlenkung 4A angedeutet ist. Die Anlenkung 4A kann auch in vertikaler Richtung elastisch nachgiebig sein. Sie läßt jedoch keine Schwenkbewegung des Steuerhebels quer zur Fahrtrichtung, d. h. um eine in Fahrtrichtung liegende Achse, zu bzw. beschränkt diesen Freiheitsgrad.

Der Drehgestellrahmen 3 stützt sich auf zwei Radsätze 5 und 6, deren Lager 7 jeweils gegen eine horizontale Federkraft(-komponente) der üblichen Primärfederung 8 aus der Normallage verschiebbar sind, um eine radiale Einstellung der Radsatzachsen auf Gleisbögen zuzulassen. Die üblichen Ausrüstungsteile eines Drehgestells wie Bremsen, ggf. Antrieb, Drehzapfen oder Mitnehmer, Querfederung, Schwingdämpfung etc. sind nur zur Vereinfachung fortgelassen worden, weil sich die Erfindung darauf nicht bezieht.

Von den Lagern 7 des näher zur Fahrzeugmitte angeordneten, inneren Radsatzes 6 ist beidseitig je eine Lenkerstange 10 zu einem Gelenk o in der Mitte des Steuerhebels 4 zwischen dessen Anlenkung 4A am Wagenkasten und seinem freien Ende geführt. Von den Lagern 7 des von der Fahrzeugmitte weiter abliegenden, äußeren Radsatzes 5 ist demgegenüber beidseitig je eine Lenkerstange 9 zum freien Ende des Steuerhebels 4 geführt und daran mittels eines Gelenks (Anlenkung u) befestigt. Dieses Gelenk hat beidseits den größtmöglichen Abstand von der Anlenkung 4A am Wagenkasten 1. Die beidseitigen Anlenkungen der Lenkerstangen sollten sphärisch beweglich sein, z. B. als Kugelgelenke oder als gummigelagerte Scharnierelemente.

Man kann die Gelenkaugen der Lenkerstangen-Anlenkungen abweichend von der figürlichen Darstellung in endseitigen Gabeln ausführen, die zwischen ihren Schenkeln den jeweiligen Steuerhebel aufnehmen, um Torsionseinflüsse auf den letzteren möglichst gering zu halten.

Der Steuerhebel möge zwischen seiner Anlenkung und seinem freien Ende eine wirksame Länge l haben. Dann ist der Abstand zwischen den Anlenkungen u der Lenkerstangen 9 und der wagenkastenseitigen Anlenkung 4A des Steuerhebels 4 gleich l und der entsprechende Abstand bei den Lenkerstangen 10 gleich l/2. Daraus ergibt sich, daß bei einer angenommenen Auslenkung des Steuerhebels 4 nach links das Radsatzlager 7 des Radsatzes 5 rein geometrisch betrachtet etwa doppelt so weit gegenüber dem Drehgestellrahmen 3 verschoben wird wie das Radsatzlager 7 des Radsatzes 6. Dies ist strichpunktiert in Fig. 1 angedeutet.

Um die Auslenkungen der Bauteile der Lenkeinrichtung besser sichtbar zu machen, sind sie hier stark übertrieben gezeichnet. Hinzu kommt in Längs-(x-)Richtung die horizontale Wirkung der Primärfederung, die die Verschiebung der Radsatzlagergehäuse in x- Richtung entsprechend dem schon vorstehend erörterten Gleichgewicht der Kräfte und Momente relativ zum Drehgestellrahmen mittelt bzw. ausgleicht.

An einem zweiten Drehgestell desselben Fahrzeugs ist die Lenkeinrichtung spiegelbildlich zu der Konstellation in Fig. 1 auszuführen, d. h., dort wären die Lenkerstangen des rechten Radsatzes unten und die des linken oben am Steuerhebel anzulenken.

Die hier näher beschriebene Anordnung der Anlenkung der Lenkerstangen 10 in der Mitte des Steuerhebels ist nicht zwingend; es sind auch Ausführungsformen mit unsymmetrischer Anordnung, z. B. bei l/3 oder anderen Unterteilungen möglich. Auch diese Optionen sind den vorstehend erwähnten Gleichungen des Kräfte- und Momentengleichgewichts unterworfen, wobei natürlich die Hebelarme entsprechend den tatsächlichen Verhältnissen zu formulieren sind.

Die Wirkung der Lenkeinrichtung beim Ausdrehen der Drehgestelle sieht man noch besser in der Fig. 2, wo zwei Drehgestelle DG1 und DG2 in Draufsicht skizziert sind. Die Radsätze des Drehgestells DG2 sind zur Unterscheidung mit 5′ und 6′ bezeichnet. Zwecks weiterer Vereinfachng sind hier auch die Drehgestellrahmen nicht mehr dargestellt. Die beidseitigen Steuerhebel 4 liegen jeweils in einer Linie mit den Drehpolen DZ1 bzw. DZ2 der Drehgestelle. An den Drehpolen DZ1 und DZ2 ist jeweils ein gebogener Doppelpfeil eingezeichnet, der die Drehrichtungen nach rechts (r, im Uhrzeigersinn) bzw. nach links (l, gegen den Uhrzeigersinn) repräsentiert. Mit jeweils einem kleinen u (für unten) wird auf die Anlenkungen der Lenkerstangen 9 gezeigt, während die Anlenkungen der Lenkerstangen 10 mit einem kleinen o (für oben) bezeichnet sind.

Bei der Fahrt im Gleisbogen in Richtung des Pfeils F würden sich die Drehgestelle DG1 und DG2 gegensinnig ausdrehen, d. h., DG1 dreht in einem Linksbogen um DZ1 nach links und DG2 dreht um DZ2 nach rechts. Im Rechtsbogen ergibt sich die umgekehrte Relativbewegung. Die beiden Steuerhebel 4 an jedem Drehgestell stellen sich dabei, ausgehend von ihrer durchgezogen gezeichneten Geradeausstellung, gleichmäßig, jedoch gegensinnig schräg, wie in Fig. 1 angedeutet.

Zur vereinfachten Demonstration der dabei auftretenden Verschiebungen der Anlenkungen o und u, der Lenkerstangen und der Achslager werden hier ohne Drehbewegung des Drehgestells - die Lenkerstangen 9 und 10 bleiben deshalb unverdreht - nur die besagten gegenläufigen Schwenkbewegungen der Steuerhebel 4 bzw. die daraus folgenden Verschiebungen der Lenkerstangen 9 und 10 als ausgeführt angenommen. Die Punkte u und o werden dann jeweils in gleichem Bewegungssinn, jedoch um unterschiedliche Wege in Fahrzeuglängsrichtung verschoben. Diese Wege sind hier jeweils mit

- ur = unteres Gelenk, Drehgestell rechtsdrehend,
- ul = unteres Gelenk, Drehgestell linksdrehend,
- or = oberes Gelenk, Drehgestell rechtsdrehend,
- ol = oberes Gelenk, Drehgestell linksdrehend

bezeichnet und durch waagerechte strichpunktierte Linien angedeutet. Infolge der gegenläufigen Bewegungen der Steuerhebel 4 steht einem Verschiebeweg ur/or auf der rechten Drehgestellseite immer ein Verschiebweg ul/ol auf der linken Seite gegenüber usw.

Man sieht unmittelbar, daß rein kinematisch/geometrisch betrachtet immer die unteren Gelenke u und die Lenkerstangen 9 die längeren Verschiebewege ausführen würden; d. h. die äußeren (im Gesamtfahrzeug ersten bzw. letzten) Radsätze 5 und 5′ werden jeweils stärker gegenüber dem Drehgestellrahmen um eine Hochachse ausgelenkt als die inneren Radsätze 6 und 6′. Die Wirkung der horizontalen Anteile der Primärfederungen würde eine solche Einstellung dann zulassen, wenn die horizontalen Federsteifigkeiten c_x1 bzw. c_x2 entsprechend dem Hebelverhältnis der Lenkerstangen-Anlenkungen o bzw. u am Steuerhebel 4 festgelegt wären. Im Zusammenwirken mit den horizontalen Primärfedersteifigkeiten wird relativ zum Drehgestellrahmen eine gemittelte Stellung eingenommen werden. In jedem Fall ergibt sich eine gute radiale Anschmiegung der einzelnen Radsatzachsen an die Gleisgeometrie.

Für den Fall eines Linksbogens in Fahrtrichtung F stellt sich also der Radsatz 5 auf die Verbindungslinie zwischen den beiden Punkten ul ein, der Radsatz 6 auf die Linie ol-ol, der Radsatz 6′ auf die Linie or-or, und schließlich der Radsatz 5′ auf die Linie ur-ur. Diese Stellungen sind jeweils durch strichpunktierte Linien repräsentiert. Die im Gegensinn hierzu in Rechtsbögen auftretenden Stellungen sind dagegen strichdoppelpunktiert gezeichnet. Es sei daran erinnert, daß die verschwenkten Stellungen der Steuerhebel und Lenkerstangen mit übertriebenen Winkeln gezeichnet sind, und daß sich am realen Fahrzeug die Drehgestellauslenkung gegenüber dem Wagenkasten und die Radsatzlenkbewegungen addieren.

Diese vorstehend eingehend beschriebene Lenkeinrichtung kann grundsätzlich bei vorhandenen Fahrzeugen auch nachträglich und ohne Modifikation der Drehgestellrahmen eingebaut werden.

Claims

1. Lenkeinrichtung für Radsätze eines Schienenfahrzeug-Drehgestells (DG1 bzw. DG2) mit im Drehgestellrahmen (3) parallel zur Fahrwegebene verschiebar gelagerten lenkbaren Radsätzen (5 bzw. 5′ und 6 bzw. 6′), umfassend

a) beidseitig neben dem Drehgestell im Bereich von dessen Längsmitte an einem auf dem Drehgestell abgestützten Wagenkasten (1) mit einer Anlenkung (4A) in Längsrichtung des Wagenkastens unverschiebbar befestigte, biegesteife Steuerhebel (4),
b) an den Steuerhebeln (4) in unterschiedlichen Abständen (l bzw. l/2) von deren wagenkastenseitiger Befestigung (Anlenkung 4A) angelenkte, zu jeweils einem Radsatzlager führende Lenkerstangen (9 bzw. 10), die beim Ausdrehen des Drehgestells gegenüber dem Wagenkasten eine bezüglich des Drehgestellrahmens gegenläufige Verschiebung der Lager dieses Radsatzes erzwingen,

dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerhebel (4) nicht mit dem Drehgestellrahmen (3) verbunden sind und beim Ausdrehen des Drehgestells (DG1 bzw. DG2) nur mittelbar durch die Längsbewegung der Lenkerstangen (9 bzw. 10) gegenüber dem Wagenkasten (1) um ihre Anlenkung (4A) auslenkbar sind.

2. Lenkeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlenkungen (4A) der Steuerhebel (4) gegen um ihre in Längsrichtung des Wagenkastens liegenden Achse wirkende Kräfte bzw. Momente steif sind.

3. Lenkeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Steuerhebel (4) zum - bezüglich der Fahrzeugmitte - inneren Radsatz (6 bzw. 6′) führende Lenkerstange (10) näher an der Anlenkung (4A) des Steuerhebels (4) angelenkt ist als die zum äußeren Radsatz (5 bzw. 5′) führende Lenkerstange (9).

4. Lenkeinrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstände zwischen Anlenkpunkten (u bzw. o) der Lenkerstangen (9 bzw. 10) einerseits und zwischen der Anlenkung (4A) des jeweiligen Steuerhebels (4) und einem oberen Anlenkpunkt (o) gleich sind.

5. Lenkeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstände zwischen Anlenkpunkten (u bzw. o) der Lenkerstangen (9 bzw. 10) einerseits und zwischen der Anlenkung (4A) des jeweiligen Steuerhebels (4) und einem oberen Anlenkpunkt (o) unterschiedlich groß sind.

6. Lenkeinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlenkungen (4A) der Steuerhebel (4) und das Drehzentrum (DZ1 bzw. DZ2) des Drehgestells (DG1 bzw. DG2) bezüglich des Wagenkastens (1) im Grundriß auf einer Geraden liegen.

7. Lenkeinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Steuerhebel (4) in vertikaler Richtung nachgiebig am Wagenkasten (1) angelenkt ist.

8. Lenkeinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lenkerstangen (9 bzw. 10) an ihren zum Steuerhebel (4) weisenden Enden gegabelt sind, wobei die Gabelschenkel den Steuerhebel zwischen sich einschließen.