DE19509429C2 - Lenkeinrichtung für Radsätze eines Schienenfahrzeug-Drehgestells - Google Patents

Description

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

Diese Merkmale sind bekannt aus US-PS 51 31 332. Dort ist in zwei Varianten beschrieben, wie zwei Rad­ sätzen eines Drehgestells eine Lenkbewegung gegen­ über dem auf ihren Lagern abgestützten Drehgestell­ rahmen aufgezwungen werden kann.

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

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

Aus US-PS 1 003 277 ist ein Drehgestell mit lenkbaren Radsätzen bekannt, deren Lagerrah­ men im Drehgestell-Hauptrahmen drehbar gelagert und durch zwei Diagonalstreben kinema­ tisch miteinander gekoppelt sind. Zusätzlich sind beidseits des Drehgestells am Wagenkasten hängende Steuerhebel vorgesehen. In unterschiedlichen Abständen von deren Anlenkung sind wiederum zwei Lenkerstangen angelenkt, deren andere Enden jeweils mit einem Ende der benachbarten Diagonalstrebe verbunden ist. Mit dieser Lenkeinrichtung lassen sich die Radsätze jeweils gleichwinklig gegensinnig einstellen.

Aus EP 0 273 940 B1 ist noch ein Drehgestell mit lenkbaren Radsätzen bekannt, bei dem zwei vom Wagenkasten abgehängte Steuerhebel ohne direkte Verbindung zum Drehgestell- Hauptrahmen zusammen mit zwei Radsatz-Deichseln ein Gelenkviereck bilden, das einerseits eine Wankstütze, andererseits eine passive Neigeeinrichtung des Drehgestells bildet. Die bei­ den Radsatz-Deichseln sind miteinander in einer gemeinsamen vertikalen Drehachse verbun­ den, so daß auch hier gegensinnig gleichwinklige Winkeländerungen der Radsätze gegenüber dem Drehgestell-Hauptrahmen möglich sind.

Bei einem in WO 90/02 068 beschriebenen Drehge­ stell sind die Radsätze zwangsgelenkt, indem jeweils von den außenliegenden, gegenüber dem Drehgestell­ rahmen in Längsrichtung verschiebbar angeordneten Radsatzlagern Lenker zu einem etwa vertikal ausge­ richteten zweiarmigen Hebel führen, der über eine Drehachse direkt am Drehgestellrahmen angelenkt ist. Die beiden zweiarmigen Hebel sind über ein Rohr tor­ sions- 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 vollstän­ dig mit ausgedreht wird. Folglich wird den beiden zwei­ armigen Hebeln beim Ausdrehen des Drehgestells eine gegenläufige Schwenkbewegung um deren drehgestell­ feste Achsen aufgezwungen, die infolge der Lenkerver­ bindungen zu den Radsatzlagern eine radiale Einstel­ lung der Radsatzachsen in den Gleisbogen bewirkt.

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

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lenk­ einrichtung 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 Merk­ malen des Anspruchs 1 gelöst. Die Merkmale der Unter­ ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen dieses Gegenstands an.

Statt der bekannten Zweipunkt-Anlenkung von Steu­ erhebeln am Wagenkasten und am Drehgestellrahmen werden nun einarmige Steuerhebel beidseits des Dreh­ gestells 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 Sekundärfede­ rung eine vertikale Hubbewegung gegenüber dem Wa­ genkasten zu. Die Steuerhebel sind biegesteife Füh­ rungsstangen, an denen die sich zu den Radsatzlagern hin erstreckenden Lenker in unterschiedlichen Abstän­ den (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 zu­ einander verlaufenden Steuerhebel beim Ausdrehen des Drehgestells unter dem Wagenkasten - d. h., eine Drehgestellseite verschiebt sich nebst Achslagern etwas in Fahrtrichtung, die gegenüberliegende Seite etwas ge­ gen die Fahrtrichtung - zwangsläufig durch Längs­ kraftübertragung über die Lenkerstangen eine gegen­ sinnige 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 müs­ sen überwunden werden. Bei einem statischen Ausdreh­ zustand ergibt sich beidseits des Drehgestells ein Gleichgewicht zwischen der in x-Richtung an der wa­ genkastenseitigen Anlenkung des Steuerhebels wirken­ den bzw. aufzunehmenden Kraft L_x und den x-Kompo­ nenten 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 Len­ kerstangen einerseits und dem oberen Lenkerstangen- Anlenkpunkt und der Steuerhebel-Anlenkung anderer­ seits 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 ei­ ner Fahrwerkseite werden dabei in x-Richtung verscho­ ben. Auf der jeweils anderen Fahrwerkseite tritt diesel­ be Bewegung in umgekehrter Richtung, jedoch mit glei­ chen Wegverhältnissen auf. Je nach der Festlegung der horizontalen Steifigkeiten der Radsatz-Lagerfederun­ gen (c_x1; c_x2) stellen sich gemäß dem Gleichgewicht der Kräfte und Momente Wege x₁ bzw. x₂ ein.

Es resultieren Verschiebungsdifferenzen an den Rad­ satzlagern. Mit bemerkenswert geringem technischem Aufwand werden die Radsätze sowohl gegenüber dem Drehgestellrahmen als auch gegeneinander in eine an­ genähert radiale Ausdrehstellung gezwungen, ohne die horizontale Beweglichkeit der Radsätze im Verhältnis zum Drehgestellrahmen mehr als erforderlich zu behin­ dern. Das ermöglicht gegenüber den bekannten Ausfüh­ rungen, bei denen der Steuerhebel am Drehgestellrah­ men selbst befestigt ist, auch eine bessere Kompensa­ tion von Gleislagestörungen durch Ausweichbewegun­ gen der Radsätze.

Am Beispiel eines Steuerhebels mit der Länge l - von seiner wagenkastenseitigen Anlenkung gemessen - und daran bei l/2 und bei l angelenkten Lenkerstan­ gen läßt sich rechnerisch zeigen, daß bei einer Auslen­ kung des Steuerhebels um einen Winkel α - der linear vom Ausdrehwinkel des Drehgestellrahmens gegen­ über 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 Rad­ satzlager auf der Bogeninnenseite.

Weitere Vorteile des Gegenstands der Erfindung ge­ hen 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 Drehge­ stelle 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 ei­ nem 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 Sekundär­ federung nicht behindert, jedoch im Bereich seiner An­ lenkung gegenüber dem Wagenkasten keine Verschie­ befreiheit hat. Er ist ferner gegen Querkräfte - in x-Richtung bzw. Fahrtrichtung der Radsätze des Dreh­ gestells und quer dazu - biegesteif, kann aber aus sei­ ner vertikalen Ruhelage in seiner Anlenkung in beide Drehrichtungen ausschwenken, wie durch strichpunk­ tierte schräge Linien mit Schnittpunkt in der Anlenkung 4A angedeutet ist. Die Anlenkung 4A kann auch in verti­ kaler 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 Radsät­ ze 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 zuzulas­ sen. Die üblichen Ausrüstungsteile eines Drehgestells wie Bremsen, ggf. Antrieb, Drehzapfen oder Mitneh­ mer, Querfederung, Schwingdämpfung etc. sind nur zur Vereinfachung fortgelassen worden, weil sich die Erfin­ dung darauf nicht bezieht.

Von den Lagern 7 des näher zur Fahrzeugmitte ange­ ordneten, inneren Radsatzes 6 ist beidseitig je eine Len­ kerstange 10 zu einem Gelenk o in der Mitte des Steuer­ hebels 4 zwischen dessen Anlenkung 4A am Wagenka­ sten und seinem freien Ende geführt. Von den Lagern 7 des von der Fahrzeugmitte weiter abliegenden, äußeren Radsatzes 5 ist demgegenüber beidseitig je eine Lenker­ stange 9 zum freien Ende des Steuerhebels 4 geführt und daran mittels eines Gelenks (Anlenkung u) befe­ stigt. 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-An­ lenkungen 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 Anlen­ kung 4A des Steuerhebels 4 gleich l und der entspre­ chende Abstand bei den Lenkerstangen 10 gleich l/2. Daraus ergibt sich, daß bei einer angenommenen Aus­ lenkung 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 Lenkeinrich­ tung besser sichtbar zu machen, sind sie hier stark über­ trieben 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 Gleich­ gewicht der Kräfte und Momente relativ zum Drehge­ stellrahmen mittelt bzw. ausgleicht.

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

Die hier näher beschriebene Anordnung der Anlen­ kung der Lenkerstangen 10 in der Mitte des Steuerhe­ bels ist nicht zwingend; es sind auch Ausführungsfor­ men mit unsymmetrischer Anordnung, z. B. bei l/3 oder anderen Unterteilungen möglich. Auch diese Optionen sind den vorstehend erwähnten Gleichungen des Kräf­ te- und Momentengleichgewichts unterworfen, wobei natürlich die Hebelarme entsprechend den tatsächli­ chen 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 Un­ terscheidung mit 5' und 6' bezeichnet. Zwecks weiterer Vereinfachung 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 eingezeich­ net der die Drehrichtungen nach rechts (r, im Uhrzei­ gersinn) 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 gegensin­ nig 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 Relativbewe­ gung. 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 auftre­ tenden 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 Len­ kerstangen 9 und 10 als ausgeführt angenommen. Die Punkte u und o werden dann jeweils in gleichem Bewe­ gungssinn, jedoch um unterschiedliche Wege in Fahr­ zeuglängsrichtung verschoben. Diese Wege sind hier jeweils mit

• - ur = unteres Gelenk, Drehgestell rechtsdre­ hend,
• - ul = unteres Gelenk, Drehgestell linksdrehend,
• - or = oberes Gelenk, Drehgestell rechtsdre­ hend,
• - ol = oberes Gelenk Drehgestell linksdrehend

bezeichnet und durch waagerechte strichpunktierte Li­ nien angedeutet. Infolge der gegenläufigen Bewegun­ gen der Steuerhebel

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steht einem Verschiebeweg ur/or auf der rechten Drehgestellseite immer ein Verschieb­ weg ul/ol auf der linken Seite gegenüber usw.

Man sieht unmittelbar, daß rein kinematisch/geome­ trisch betrachtet immer die unteren Gelenke u und die Lenkerstangen 9 die längeren Verschiebewege ausfüh­ ren würden; d. h. die äußeren (im Gesamtfahrzeug er­ sten 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 Primärfede­ rungen 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 wä­ ren. Im Zusammenwirken mit den horizontalen Primär­ federsteifigkeiten wird relativ zum Drehgestellrahmen eine gemittelte Stellung eingenommen werden. In je­ dem 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 Stel­ lungen sind jeweils durch strichpunktierte Linien reprä­ sentiert. Die im Gegensinn hierzu in Rechtsbögen auf­ tretenden Stellungen sind dagegen strichdoppelpunk­ tiert gezeichnet. Es sei daran erinnert, daß die ver­ schwenkten Stellungen der Steuerhebel und Lenkerst­ angen mit übertriebenen Winkeln gezeichnet sind, und daß sich am realen Fahrzeug die Drehgestellauslenkung gegenüber dem Wagenkasten und die Radsatzlenkbe­ wegungen addieren.

Diese vorstehend eingehend beschriebene Lenkein­ richtung kann grundsätzlich bei vorhandenen Fahrzeu­ gen auch nachträglich und ohne Modifikation der Dreh­ gestellrahmen eingebaut werden.

Claims (8)

1. Lenkeinrichtung für Radsätze eines Schienenfahrzeug-Drehgestells (DG1 bzw. DG2) mit im Drehgestellrahmen (3) parallel zur Fahrwegebene verschiebbar 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 wagen­ kastenseitiger 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,

wobei die Steuerhebel (4) nicht mit dem Drehgestellrahmen (3) verbunden sind und beim Ausdrehen des Drehgestells (DG1, DG2) nur mittelbar durch die Längsbewegung der Lenkerstangen (9, 10) gegenüber dem Wagenkasten (1) um ihre Anlenkung (4A) auslenk­ bar sind,
wobei ferner die diagonal nicht gekoppelten Radsätze eines Drehgestells in gleichem Bewegungssinn, jedoch um unterschiedliche Wege in Fahrzeuglängsrichtung verschieb­ bar sind.

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

3. Lenkeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die vom Steuerhebel (4) zum - bezüglich der Fahrzeugmitte - inneren Radsatz (6 bzw. 6') führende Lenkerstange (10) nä­ her 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, da­ durch 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 zwi­ schen 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 An­ lenkungen (4A) der Steuerhebel (4) und das Dreh­ zentrum (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 Len­ kerstangen (9 bzw. 10) an ihren zum Steuerhebel (4) weisenden Enden gegabelt sind, wobei die Gabel­ schenkel den Steuerhebel zwischen sich einschlie­ ßen.