DE29720120U1 - Fahrwerk für Schienenfahrzeuge - Google Patents

Description

BESCHREIBUNG

Dipl.-Ing. Michael Kammler 11.11.1997

Brunssumstr. 38
D-52074 Aachen

Fahrwerk für Schienenfahrzeuge

Die Erfindung betrifft ein Fahrwerk entsprechend dem Oberbegriff 1.

Ein Schienenfahrzeug-Fahrwerk hat die Aufgabe, alle aus den Funktionen Tragen, Führen und Antreiben/Abbremsen entstehenden Kräfte und Momente vom Wagenkasten auf die Aufstandsflächen der Räder zu übertragen. Das Fahrwerk kann dabei nach den Kriterien Qualität der Spurführung (Entgleisungssicherheit), Komfort und Gewicht beurteilt werden. Insbesondere für die Qualität der Spurführung ist die exakte Stellung der Räder in Richtung des Gleises entscheidend. Diese sogenannte radiale Einstellung kann bei Schienenfahrzeug-Fahrwerken durch drei verschiedene Wirkmechanismen erfolgen.

• In der Berührfläche werden Längskräfte erzeugt (in jedem Radsatz-Fahrwerk genutzt). Das dabei naturgemäß instabile dynamische Verhalten des Radsatz-Wellenlaufes läßt sich auch durch aufwendige konstruktive Gegenmaßnahmen lediglich in Bereiche höherer Geschwindigkeiten verschieben.

• Die Räder sind an die Stellung des Wagenkastens mit Hebelmechanismen gekoppelt (zum Beispiel TALGO-Gliederzug [Patent DE 25 12 008]). Lösungen nach diesem Prinzip sind im Straßenfahrzeugbau verbreitet. Die Elastizität und das Kraftschlußverhalten der bei Schienenfahrzeugen verwendeten Stahlräder unterscheidet sich jedoch um Größenordnungen von den bei Straßenfahrzeugen verwendeten Luft/Gummirädern. Deshalb scheitern Lösungen nach diesem Prinzip an der unerreichbar hohen notwendigen Präzision der Hebel und Gelenke.

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• In der Berührfläche werden Querkräfte erzeugt (soll hier zum Einsatz kommen). Dieses Prinzip erfordert zur Erzeugung des nötigen Hebelarms zwei hintereinanderliegende Radpaare zur gegenseitigen radialen Einstellung.

Während die meisten herkömmlichen Fahrwerke (zum Beispiel Radsatz-Doppel-Fahrwerke; siehe Fig. 1) durch Längskräfte oder Hebelmechanismen radial einstellen, sind in den letzten Jahren Fahrwerks-Prototypen gebaut worden, deren radiale Einstellung ausschließlich durch Querkräfte erreicht wird. Mehrere Einzelrad- bzw. Losradfahrwerke mit einteiligem Rahmen (MB B-Losradfahrwerk; DUEWAG/Frederich-EDF [Patent DE 42 21 544]; FIAT/Panagin-Fahrwerk [DE 30 19 468]; siehe Fig. 2) haben die Funktionsfähigkeit dieses Prinzips bereits äußerst erfolgreich nachgewiesen. Eine Teilung des bisher einteiligen Rahmens in zwei Halbdrehgestelle (siehe Fig. 3) mit außenliegenden Drehpunkten und damit die Beseitigung des permanten Schräglauf bewirkenden Hebelarms wurde bereits in der Fachliteratur beschrieben (Halbdrehgestell-Fahrwerk [ETR (26) 7/8-1977 S. 517-522; Patente DE 30 42 987, EP 0 025 484]).

Herkömmliche Drehgestelle, das sind Radsatz-Doppel-Fahrwerke (siehe Fig. 1), weisen folgende Hauptnachteile auf:

• Der Rahmen muß sehr schwer ausgeführt werden, um die Radaufstandskräfte der weit auseinanderliegenden Radsätze in den Wagenkasten weiterzuleiten.

• Bereits die Radsätze weisen ein hohes Gewicht auf, da sie die ungefederte Radsatzlast (bis über 20 t) über einen Lagerabstand von etwa 2 bis 3,5 Meter tragen.

• Der Radsatzwellenlauf verursacht unerwünschte Längs- und Querkräfte und damit Verschleiß.

• Die Laufstabilität muß erst durch aufwendige konstruktive Maßnahmen erzeugt werden.

Bisher ausgeführte Fahrwerke mit radialer Einstellung durch in der Berührfläche erzeugte Querkräfte sind beispielsweise Einzelrad-Doppel-Fahrwerke (siehe Fig. 2); in

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diesen wurden alle wesentliche Konstruktionsmerkmale herkömmlicher Drehgestelle übernommen. Hier ist besonders die einteilige Rahmenkonstruktion zu nennen, bei der sich alle vier Räder um einen gemeinsamen Drehpol in der Mitte des Fahrwerks um die Hochachse drehen. Dieses für Radsatzdoppelfahrwerke bewährte einteilige Rahmenprinzip ist für ein Einzelrad-Doppel-Fahrwerk jedoch unnötig, weil keine Radsätze mehr existieren, die diesen aus Gründen der Kinematik zwingend erfordern. Deshalb sind für diese Fahrwerke (siehe Fig. 2) weiterhin folgende Nachteile zu nennen:

• Das hohe Gewicht des Rahmens bleibt unvermindert.

• Werden durchgehende "Losradsätze" verwendet, ist auch hier kein Gewichts-Vorteil gegenüber herkömmlichen Radsätzen zu verzeichnen.

• Die hier notwendige höchste Präzision der Radstellung ist in einem derartigen Rahmen fertigungstechnisch nicht realisierbar.

Das Prinzip des einteiligen Rahmens wird bei Halbdrehgestellen (siehe Fig. 3) zwar verlassen, der gewohnt große Radstand von etwa 2 bis 3,5 Meter wird jedoch bisher übernommen. Bei herkömmlichen, einteiligen Rahmenkonstruktionen mit gemeinsamem Drehpunkt waren extrem kurze Radstände durch ein Verkanten bei kleinem Längen/Breiten-Verhältnis ("Schubladeneffekt") nicht realisierbar; außerdem benötigten die Radsatzfahrwerke den langen Radstand wegen der sonst mangelhaften Fahrstabilität. Durch die konstruktiv vorgegebene Ableitung der Längskräfte weit oberhalb der Schienenoberkante sind große Radlastschwankungen jedoch nur durch einen großen Radstand zu mindern. So verbleiben dieser Entwicklungsstufe (siehe Fig. 3) folgende Nachteile:

• Das Gewicht und der Platzbedarf des Fahrwerks bleiben unvermindert hoch.

• Die gewählte Kinematik erzeugt sehr hohe Kräfte und Momente an den beiden Gelenkpunkten der Halbdrehgestelle. Zusammen mit dem kleinen Bauraum und der Übertragung durch Bolzen oder Zapfen läßt dies einen Schwachpunkt der Konstruktion erwarten.

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Aufgabe der Erfindung ist es, die zahlreichen Vorteile von Einzelrädern konsequent nutzbar zu machen. Zu diesem Zweck werden sie in ein Fahrwerkskonzept eingebunden, welches sich nicht an herkömmliche, für Einzelräder ungeeignete Konzepte von Radsatzdoppelfahrwerken anlehnt, sondern den Anforderungen und Möglichkeiten der Einzelräder gerecht wird.

Diese Aufgabe wird durch ein Fahrwerk entsprechend dem Oberbegriff 1 gelöst.

Dieses Fahrwerk besteht also aus einer Halbdrehgestell-Lösung mit definiert angeordneten Drehpolen (siehe Fig. 4), welche eine Verringerung des Radstands auf Werte wenig mehr als Raddurchmesser und damit eine Verringerung der Schnittmomente in den tragenden Rahmenteilen ermöglichen (siehe Fig. 1-4 oben). Hauptvorteile dieser neuen Rahmengestaltung (siehe Fig. 4) gegenüber bekannten Konstruktionen (siehe Fig. 1-3) sind nachfolgend aufgelistet.

• Massen, Trägheitsmomente und Bauraum sind drastisch verringert.

Der Rahmen stellt einen Biegeträger dar, dessen Gewicht hauptsächlich aufgrund der zu übertragenden Biegemomente mit der Länge überproportional zunimmt. Das neue Fahrwerkskonzept läßt eine Verringerung von Gewicht und Länge um etwa die Hälfte erwarten.

• Die Stellung der Einzelradpaare ist in bisher unbekannter Präzision parallel.

Zwei einzelne kurze Halbdrehgestelle können in einer Aufspannung spanend bearbeitet werden und erreichen in Bezug auf Parallelität der beiden verbundenen Räder um Größenordnungen bessere Werte als die bekannten Konstruktionen (welche aus diesem Grand stets hinter den Simulationsergebnissen zurückblieben). Die notwendige präzise Parallelität zwischen den beiden Halbdrehgestellen wird durch in ihrer Länge fein justierbare Hebel und Gelenke realisiert.

• Es ergibt sich ein vereinfachter Aufbau.

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Der Wegfall komplexer und großer Bauteile hat eine Reduzierung der Fertigungskosten zur Folge. Die konstruktive Trennung von Parallelführung der Rahmenseitenteile einerseits und Anbindung an den Wagenkasten andererseits ermöglicht deren Ausführung größtenteils als einfache und gewichtssparende Zug/Drack-Stangen mit Kugelköpfen und/oder Elastomergelenken.

Die anerkannten Vorteile bisheriger Konstraktionen (siehe Fig. 2 und 3) sind weiterhin voll nutzbar:

• Theoretische Betrachtungen, Simulationsergebnisse sowie ausgeführte Protypen (siehe Fig. 2) haben die prinzipielle Eignung von Einzelradkonzepten zur Spurführung sowie teilweise eine Überlegenheit dieses Prinzips gegenüber den Radsatzkonzepten bewiesen.

• Nur das Konzept der Halbdrehgestelle (siehe Fig. 3) gewährleistet tatsächlich die erwünschte Unabhängigkeit der radialen Stellung des Rades im Gleis von den Längskräften im Rad/Schiene-Kontakt. Während bei allen anderen Konzepten (siehe Fig. 2) störende Auswirkungen durch die Trägheitsmomente von Rad und Motor oder durch die normale Schwankung der Längskräfte weiterhin vorhanden sind, ist hier der verantwortliche Hebelarm zwischen Drehpol um die Hochachse und Rad/Schiene-Berührpunkt nicht vorhanden und die Wirkkette deshalb unterbrochen.

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Daraus lassen sich für die Praxis folgende Vorteile erwarten:

• Die typischen Vorteile von Einzelradfahrwerken, besonders der ruhige Lauf bei hohen Geschwindigkeiten sowie der geringe Verschleiß sind erstmalig voll nutzbar.

• Der von Zwangsschlupf befreite Lauf in Längsrichtung erlaubt die Übertragung erhöhter Traktions- und Bremskräfte.

• Der Drehpunkt in Höhe der Schienenoberkante erzeugt trotz geringem Radstand keinerlei dynamische Radlastschwankungen beim Beschleunigen oder Bremsen und macht deshalb teure Gegenmaßnahmen zur Verhinderung von Schleudern oder Blockieren verzichtbar.

• Anders als bei anderen Konzepten existieren keine Dämpfer oder gar Regelungen, bei deren Ausfall die spurführungsdynamische Stabilität des Fahrwerks verloren geht.

• Der Wegfall der Radsatzwelle, die Verwendung von kleinen Rädern sowie eine prinzipiell freie Hebelanordnung macht die Verwendung des Fahrwerkskonzeptes in Niederflur-Fahrzeugen und Güterwagen für den kombinierten Verkehr problemlos möglich.

Der extrem kurze Radstand erzeugt auch bei sehr engen Radien nur kleine Anlaufwinkel und macht einen Einsatz bei Stadt- und Straßenbahnen möglich.

• Der Wegfall des radsatztypischen Wellenlaufs in Kombination mit extrem niedrigen Massenträgheiten und -trägheitsmomenten ermöglicht die sichere Übertragung von sehr hohen Querkräften und damit den Einsatz in Neigezügen mit hoher Querdynamik.

• Die geringen Massen und die spurführungsdynamische Stabilität prädestinieren das Konzept für den Einsatz in Hochgeschwindigkeitszügen.

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Die geringen Massen und Trägheitsmomente sowie der prinzipbedingt ruhige Lauf schont das Gleisbett und verringert damit die Instandhaltungskosten am Fahrzeug und am Fahrweg.

Bedingt durch den extrem kurzen Radstand ergibt sich außer einer erheblichen Einsparung an Masse auch die deutliche Einsparung von Bauraum.

Elemente eines bestehenden Baukastensystems wie Bremsen und Neigetechnik sind weiterhin problemlos kombinierbar.

Der hier mögliche Einsatz von kleinen Rädern bei hohen Geschwindigkeiten machen einen Direktantrieb und damit den Verzicht auf teure und schwere Getriebe möglich.

Die Verbindungsgestänge zum Wagenkasten erfordern (anders als etwa beim Talgo) keine hohe Präzision und können deshalb zur Vermeidung von Körperschallübertragung mit Elastomerelementen ausgeführt werden.

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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen

Figur 1-4: Vergleich der Fahrwerkskonzepte hinsichtlich konstruktiver Ausführung (mitte), Schnittmomente im Rahmen (oben) und Kinematik (unten):

1) Drehgestell oder Radsatzdoppelfahrwerk (Stand der Technik).

2) ausgeführte Prototypen als Einzelraddoppelfahrwerk (Stand der Technik).

3) bisher vorgeschlagenes Halbdrehgestellfahrwerk (Stand der Technik).

4) beschriebenes Fahrwerkskonzept.

Figur 5: Ausführungsbeispiele des Fahrwerks in Seitenansicht.
Figur 6: Ausführungsbeispiele des Fahrwerks in Vorderansicht.
Figur 7: Ausführungsbeispiele des Fahrwerks in Draufsicht.

Figur 8: Parallelführende Hebelmechanik mittels zweier gelenkiger oder torsionselastischer Viereckshebel.

Figur 9: Parallelführende Hebelmechanik mittels zweier Dreieckshebel.

Figur 10: Parallelführende Hebelmechanik mittels zweier Stäbe und mittig gelegener gelenkiger oder torsionsweicher Stütze.

Figur 11: Parallelführende Hebelmechanik mittels dreier Stäbe und Stabilisator.

Ein erster Hebelmechanismus hat die Aufgabe, die Einleitung von Querkräften und die präzise Parallelführung der beiden Halbdrehgestelle F auf Spurweitenabstand zu realisieren. Durch die freie Beweglichkeit der beiden Halbdrehgestelle F um deren Hoch- und Querachse wird radiales Einstellen und das Befahren von Gleisverwindungen ermöglicht.

In der Lösungsvariante nach Fig. 8 stützen in Gelenken G gelagerte Viereckhebel H jeweils das eine Rahmenseitenteil F auf das andere ab. Die Halbdrehgestelle oder die Viereckhebel sind, um eine Verwindung des Fahrwerks beim Befahren von Gleisverwindungen zu ermöglichen, torsionsweich oder gelenkig ausgeführt.

Eine weitere Variante nach Fig. 9 umgeht die Verwendung torsionsweicher oder gelenkiger Bauteile. Hier stützen in Gelenken G gelagerte Dreieckhebel H jeweils das eine Rahmenseitenteil F auf das andere ab. Dadurch können Kräfte aus Querrichtung ohne Einschränkung der Verwindungsfähigkeit aufgenommen werden. Die Verwindung des Fahrwerks zum Befahren von Gleisverwindungen wird also durch ein Schwenken der beiden Hälften um die Diagonale V erreicht.

Eine weitere Variante nach Fig. 7 nutzt eine mittig gelegene torsionsweiche oder gelenkige Stütze M zum Abfangen der Querkräfte und einen oder zwei außermittig gelegene Stäbe zur Parallelführung.

Die Prinzipskizze einer weiteren Lösungsvariante zeigt Fig. 11. Die separaten Halbdrehgestelle F weisen jeweils drei Gelenkpunkte G auf, die mit den drei querliegenden Stäben S verbunden sind. Die Verwendung eines Stabilisator-Elementes (Feder) ist notwendig, um bei auftretenden Kräften aus Querrichtung mögliche Schwenkbewegungen um die Längsachse einzuschränken.

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* Mit

Ein zweiter Hebelmechanismus erzwingt die definierte Lage der Drehpole D und macht damit die Einbindung dieser extrem kompakten Halbdrehgestelle in ein Schienenfahrzeug erst möglich.

Damit Längskräfte keine störenden Momente um die Hochachse auf die Halbdrehgestelle ausüben können, muß sich der Drehpunkt für das Schwenken um die Hochachse auf der direkten Verbindung der beiden Laufkreise der beiden Räder eines Halbdrehgestells befinden. Der Drehpunkt für das Schwenken um die Querachse muß sich auf Höhe der Schienenoberkante befinden, um Schwankungen der Radlasten durch Längskräfte zu vermeiden.

Dies wird durch eine Kinematik gelöst, welche eine Lage des Drehpols in der Mitte der Verbindungslinie der beiden Radaufstandspunkte eines Halbdrehgestells erzeugt.

Zwei mögliche Realisierungen mit einer konstruktiven Ausführung der Kinematik als Viergelenk für zwei verschiedene Einbausituationen und zwei verschiedene Anordnungen der Zug/Druck-Stangen Z zeigen beispielhaft die Abbildungen Fig. 5, 6 und 7 in allen drei Ansichten.

Zug/Druck-Stangen Z weisen von diesen ideellen Drehpunkten D auf den Wagenkasten/die beiden benachbarten Wagenkasten entweder außen (siehe Fig. 5, 6 und 7 oben) oder innen (siehe Fig. 5, 6 und 7 unten) an den Rädern vorbei. Ein an den Halbdrehgestellen angebrachter Mechanismus L ermöglicht einerseits den nötigen Längenausgleich beim Einfedern und beim Befahren von Kurven oder Rampen. Er hält andererseits das Fahrwerk sowohl mittig als auch rechtwinklig zur Winkelhalbierenden zwischen den beiden Wagenkasten (siehe Fig. 5, 6 und 7 oben) W oder parallel unter einem einzelnen Wagenkasten (siehe Fig. 5, 6 und 7 unten). Im Einbaufall nach Fig. 5, 6 und 7 werden Längskräfte innerhalb der Wagenkasten direkt von Kasten zu Kasten am Drehpunkt K übertragen. Dieser stützt sich federnd auf die beiden Halbdrehgestelle ab.

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Claims (12)

ANSPRÜCHE

1. Fahrwerkskonzept für Schienenfahrzeuge bestehend aus zwei Halbdrehgestellen F, die jeweils beide Einzelräder E einer Seite verbinden,

dadurch gekennzeichnet, daß

die beiden Halbdrehgestelle F durch eine erste Vorrichtung auf Spurweitenabstand parallelgeführt werden und deren Kippbewegung um die Fahrzeuglängsachse verhindert wird sowie dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Halbdrehgestelle F durch eine zweite Vorrichtung in ihrer Schwenkbewegung um die Hoch- und die Querachse auf einzelne Drehpole D, welche sich in der Mitte der Verbindungslinie der Radaufstandspunkte einer Seite befinden, gezwungen werden, wodurch die bisher nicht mögliche, extrem kompakte und leichte Ausführung der tragenden Rahmenteile möglich wird (siehe Fig. 4).

2. Fahrwerkskonzept laut Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils ein

Hebelmechanismus Z (gebildet aus zwei Stangen) gedachte Drehpole D erzeugt sowie der für Quer- und Vertikalbewegungen nötige Längenausgleich durch einen Mechanismus L realisiert wird, wobei damit die Querachse des Fahrwerks stets parallel unter einem Wagenkasten oder in der Winkelhalbierenden zweier Wagenkästen liegt (siehe Fig. 5, 6 und 7)..

3. Fahrwerkskonzept laut Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Viereckhebel H die beiden torsionsweichen oder gelenkigen Halbdrehgestelle F parallel halten (siehe Fig. 8).

4. Fahrwerkskonzept laut Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei torsionsweiche oder gelenkige Viereckhebel H die beiden Halbdrehgestelle F parallel halten (siehe Fig. 8).

5. Fahrwerkskonzept laut Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Drei-

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eckhebel H die beiden Halbdrehgestelle parallel halten (siehe Fig. 9).

6. Fahrwerkskonzept laut Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein mittig gelegenes entweder gelenkiges oder torsionsweiches Rahmenmittelteil M die beiden Halbdrehgestelle gegeneinander abstützt, während sie von zwei Stangen parallel geführt werden (siehe Fig. 10).

7. Fahrwerkskonzept laut Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß drei Stangen 5 die beiden Halbdrehgestelle F parallel halten (siehe Fig. 11).

8. Fahrwerkskonzept nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

daß der Wagenkasten sich über Federn auf ungefederte Halbdrehgestelle abstützt (siehe Fig. 5, 6 und 7).

9. Fahrwerkskonzept nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Halbdrehgestellen F über Federn eine Traverse aufliegt, welche die Kräfte über das Gelenk K auf die Wagenkästen W überträgt.

10. Fahrwerkskonzept nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

daß der Wagenkasten sich auf Halbdrehgestelle F abstützt, welche als Integralbauteile mit Federungsfunktion ausgebildet sind.

11. Fahrwerkskonzept nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Einzelräder Radkonstruktionen mit integrierter Federung und Dämpfung zum Einsatz kommen.

12. Fahrwerkskonzept nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

daß Einzelräder E dieses Fahrwerks einzeln oder zu Gruppen zusammengefaßt angetrieben werden.

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