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Primärfederung und Radsatzanlenkung für
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Schienenfahrzeuge.
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Die Erfindung betrifft eine Primärfederung und Radsatzanlenkung für
Schienenfahrzeuge, bei der jedes Achslagergehäuse in Fahrzeuglängsrichtung beidseitig
Tragarme aufweist, und sich zwischen diesen Tragarmen und dem Drehgestellrahmen
bzw. dem Wagenkasten Federn befinden.
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Bei der Bestimmung der vertikalen Steifigkeit der Primärfederung eines
Schienenfahrzeuges ist die Elgenbiegefrequenz in senkrechter Richtung des Wagenkastens
zu beachten. So ist beispielsweise bei einem Drehgestell fahrzeug die Steifigkeit
so auszulegen, daß die Tauch- und Nickfrequenz des Drehgestellrahmens oberhalb oder
unterhalb der Eigenbiegefrequenz des Wagenkastens liegen.
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Liegen die Tauch- und Nickfrequenzen des Drehgestellrahmens oberhalb
der Eigendurchbiegefrequenz des Wagenkastens, so spricht man von einer harten, im
umgekehrten Fall von einer weichen Primärfederung. Beide Federungsarten sind bekannt.
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Bezeichnet man in der Horizontalebene die Fahrtrichtung als x-Richtung
und die Richtung quer zur Fahrtrichtung als y-Richtung, so gilt für die Anlenkung
der Radsätze: es ist çundsätzlich vorteilhaft in x-Richtung ehe möglichst weiche
Ankopplung der Radsätze an den Drehgestell-rahmen bzw. den Wagenkasten vorzusehen.
Bei einer x-weichen Anlenkung können sich die Radsätze in Kurven radial zum Gleisradius
einstellen, wodurch die Kräfte zwischen Rad und Schiene reduziert werden, und damit
auch der Verschleiß stark gemindert wird.
Andererseits ist es bekannt,
daß es von verschiedenen Faktoren wie zum Beispiel Achslast, Radsatzmasse und Achsabstand,
insbesondere jedoch von der x-Steifigkeit der Radsatzanlenkung abhängt, ab welcher
Fahrgeschwindigkeit der Radsatzlauf des Fahrzeuges instabil wrd. Ein instabiler
Radsatzlauf muß aus Sicherheitsgründen vermieden werden.
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Es ist ferner aus Erfahrung bekannt, daß bei gleicher x-lastizität
ein Drehgestellfahrzeug mit niedriger Achslast und kleinem Achsabstand bei wesentlich
niedrigerer Fahrgeschwindigkeit bereits instabil läuft als ein Fahrzeug mit großer
Achslast und großem Achsabstand.
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Vielfach werden nun für die genannten Fahrzeuge gleiche Fahrgeschwindigkeiten
gefordert, die das schwerere Fahrzeug noch erreicht ohne instabilen Radsatzlauf
zu zeigen.
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Damit das leichtere Fahrzeug die gleiche Fahrgeschwindigkeit erreicht,ohne
daß instabiler Radsatzlauf eintritt, muß bei dem leichteren Fahzeug die x-Steifigkeit
der Radsatzanlenkung entsprechend erhöht werden auf Kosten der radialen Einstellung
der Radsätze, d.h. unter Inkaufnahme von größerem Verschleiß an Rad und Schiene.
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Es wäre unwirtschaftlich und deshalb für eine Bahnverwaltung nicht
annehmbar, aus dieser Erkenntnis den Schluß zu ziehen, alle Fahrzeuge mit einer
x-harten Radsatzanlenkung zu versehen, wobei für die Mehrzahl der Fahrzeuge nämlich
für alle Fahrzeuge, die meistens mit relativ niedrigen Fahrgeschwindigkeiten verkehren,
der größere Rad- und Schienenverschleiß in Kauf genommen werden m§ßte.
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Es wäre deshalb wünschenswert, eine Radsatzanlenkung vorzusehen, deren
xElastizität in einem breiten Spektrum variabel ausgeführt werden kann, wobei es
besonders vorteilhaft wäre, wenn ohne Beeinflussung der vertikalen Primärfederung
und ohne Eingriffe in die Ausführung des Drehgestellrahmens bzw. des Wagenkastens
und ohne Änderung der Achslagergehäuse jede gewünschte x-Steifigkeit der Radsatzanlenkung
erreicht werden könnte.
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Es ist aus der DE-OS 1 755 875 eine Radsatzanlenkung bekannt, bei
deritrimärfederung vertikal hart ist, und die Forderung bezüglich der Variation
der x-Steifigkeit bei gleichem Drehgestellrahmen und gleichen Radsatzlagergehäusen
erfüllt ist.
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Bei dieser bekannten Radsatzanlenkung ist aber die Forderung nicht
erfüllt, daß die Änderung der x-Steifigkeit erzielbar ist ohne gleichzeitig die
vertikale Federung zu verändern.
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Von den bekannten weichen Primärfederungen kommen dem Gegenstand der
vorliegenden Erfindung diejenigen am nächsten, bei denen das Achslagergehäuse in
Fahrtrichtung auf einer Seite einen Tragarm besitzt, der die Primärfeder trägt,
während die andere Seite als Achslenker mit horizontaler Schwenkachse ausgebildet
ist, der in der Hauptsache aus Verschleißgründen und zwecks Körperschallisolation
in einer Gummibuchse an einem Zapfen des Drehgestellrahmens bzw. des Wagenkastens
gelagert ist. Diese Gummibuchsen können in ihre x-Steifigkeit, wenn keine wesentlichen
Änderungen am Drehgestellrahmen vorgenommen werden sollen, nur in begrenztem Umfang,
zum Beispiel durch Änderung der Härte des Gummis, gegebenenfalls noch durch Ausnehmungen
im Gummi variiert werden. Größere Änderungen der x-Steifigkeit erfordern eine konstruktive
Anpassung der umgehenden Teile des Drehgestellrahmens bzw. des Wagenkastens.
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Dieser bekannten Anlenkung haftet darüber hinaus der Nachteil an,
daß schon bei der Herstellung aufwendige maschinelle Bearbeitungen an den Lagerstellen
der Drehgestellrahmen bzw.
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des Wagenkasten erforderlich sind, und daß zum Ein- und Ausbau der
Radsätze eine Vielzahl von Schrauben- und/oder Bolzenverbindungen montiert bzw.
gelöst werden müssen.
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Die einander widersprechenden Forderungen werden bei dem Drehgestell
nach der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 genannten
Merkmale erfüllt.
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Durch diese Kombination einer in senkrechter Richtung weichen Feder
mit einer, auf ihre horizontalen Federeigenschaften, ausgelegten Feder, die in senkrechter
Richtung hart sein kann, wird den folgenden Anforderungen genügt: a) Die Radsatzanlenkung
enthält ein Federdement, das dem Drehgestellrahmen eine Tauch- und Nickfrequenz
verleiht, die niedriger ist als die vertikale Einbiegefrequenz des Wagenkastens.
Dieses Federelement kann, wie in den Unteransprüchen 2 und 3 angegeben, eine Schraubenfeder,
eine Elastomerfeder oder eine Gasfeder sein.
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b) Dadurch, daß dem unter a) genannten Federelement ein Federelement
gegenüberliegt, dessen brizontale Federeigenschaften veränderbar sind, und das gegen
andere Federelemente mit anderen horizontalen Federeigenschaften austauschT bar
ist, wird eine weitgehende Anpassbarkeit an die Radsatzanlenkung erzielt. Insbesondere
können die Federelemente bezüglich des Einbaues gleich gestaltet sein. Die Federkonstanten
dieser Federelemente können in x-Richtung in einem Bereich von 2.000N/mm bis 100.000
N/mm liegen.
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c) Dem Federelement nach b) können gleichzeitig in y-Richtung solche
Federeigenschaften gegeben werden, daß die auf das Achslager aus den dort wirkenden
y-KrAften resultierenden Verkantungsmomente aufgehoben oder aut eine den Achslagern
nicht schadende Größe reduziert werden. Daraus ergibt sich das Kennzeichen nach
Unteranspruch 7.
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d) Da die vertikale Federung von dem ersten, in senkrechter Richtung
weichen Federelement übernommen wird, sind an die Federungseigenschaften des anderen
Federelementes in senkrechter Richtung keine besonderen Anforderungen zu stellen.
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e) Die Demontage der Radsätze beschränkt sich darauf, daß lediglich
eine Abhebesicherung zu lösen ist, sonst aber keine Schrauben- und/oder Bolzenverbindungen
gelöst werden müssen.
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f) hir besondere Fälle, zum Beispiel für Fahrzeuge mit Fahrgeschwindigkeiten
über 250 km/h, wobei eine besonders starre Anlenkung der Radsätze in x-Richtung
erforderlich ist, kann wie in Anspruch 8 angegeben, ohne daß eine weitere Änderung
erforderlich ist, das Achslagergehäuse durch eine starre, gegebenenfalls längeneinstellbare
Anlenkstange mit dem Drehgestellrahmen bzw. mit dem Wagenkasten verbunden sein.
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Die in senkrechter Richtung weiche Feder kann auch eine aus einer
Gas feder und einer elastischen Feder kombinierte Weder sein, wie sie in der gleichzeitig
eingereichten Patentanmeldung (Aktenzeichen ....., unsere Akte 80-10-94) beschrieben
ist.
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Bei der zweiten auf ihre horizontalen Federeigenschaften ausgelegten
Feder, die in senkrechter Richtung hart sein kann, kann es sich um eine Feder handeln,
wie sie als solche durch die DE-OS 1 755 875 bekannt ist. Die übereinander liegenden
nichtebenen Flächen können dabei die in den Patentansprüchen 4 bis 6 genannten Kennzeichen
aufweisen.
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Ausführungsbeispiele von Primärfederungen und Achsanlenkungen nach
der Erfindung sind in den Figuren dargestellt. Es zeigen: Fig. 1 eine Ausführungsform
der Primärfederung und Achsanlenkung mit einer Schraubenfeder als weiche Feder.
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Fig. 2 eine Ausführungsform mit einer Kombination aus einer Gasfeder
und einer Elastomerfeder als weiche Feder.
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Fig. 3 eine Ausführungsform ähnlicn wie in Fig. 1 dargestellt, mit
zusätzlichem Achslenker.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 besitzt das Achslagerge häuse
1 beidseitig zwei Tragarme 2 und 3, die in Fahrzeuglängsrichtung liegen. Der Drehgestellrahmen
9 bzw. der Wagenkasten stützt sich auf dem Tragarm 2 über die Schraubenfeder 4 ab,
auf dem Tragarm 3 über die Elastomerfeder 5. Diese Elastomerfeder 5 besteht, wie
dargestellt, aus zwei Metallteilen 6 und 7, zwischen denen sich ene Elastomerschicht
8 befindet.
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Die Flächen 6a, 6b und 7a, 7b der Metallteile sind dachförmig geneigt
und zwar so, daß ihre Schnittlinie die Federachse 23 schneidet und quer zur Fahrtrichtung
liegt. Unter Federachse ist dabei stets die Linie zu verstehen, die mit der senkrechten
Achse des Zapfens 11, durch den die Feder mit dem Drehgestellrahmen bzw. dem Wagenkasten
verbunden ist, zusammentällt.
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In diesem Fall ergibt sich eine in x-Richtung harte, in y-Richtung
etwas weichere Federung. In senkrechter Richtung ist die Elastomerfeder 5 hart,
dagegen läßt die Schraubenfeder 4 in senkrechter Richtung größere Bewegungen zu,
ergibt also eine insgesamt weichere Primärfederung, wobei beim Einfedern der Feder
4 das Achslagergehäuse 1 eine Schwenkbewegung ausführt, bei der die Federung 5 als
Gelenk wirkt. Die Gelenkachse liegt in y-Richtung und somit liegen die Elastomerflächen
8 parallel zur Gelenkachse und werden beim Einfedern der in senkrechter Richtung
weichen Federung 4 nur wenig beansprucht. Die beiden Federn 4 und 5 sind durch die
Zapfen 10 bzw. 11 in Aufnahmebohrungen im Drehgestellrahmen bzw. Wagenkasten geführt,
so daß jede dieser Federn durch eine Feder mit anderen Federeigenschaften, aber
gleichen Einbaumaßen, ersetzt werden kann. Einstellarbeiten sind also bei der Fertigung
oder beim Austausch einer Feder nicht erforderlich, was fertigungstechrlisch besonders
vorteilhaft ist.
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Um Bautoleranzen in Querrichtung zwischen dem Radsatz und dem Achslagergehäuse
auszugleichen, können die Zapfen, wie durch die DE-PS 2 158 357 bekannt, in Fahrzeuglängsrichtung
gegeneinander versetzt angeordnet sein. Zur Dämpfung von Schwingungen kann ein Schwingungsdämpfer
12 vorgesehen sein.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 sind gleiche Teile mit gleichen
Bezugsziffern wie in Fig. 1 versehen. Die in senkrechter Richtung weiche Federung
4 ist in diesem Fall eine Feder, die die Kombination einer elastischen und einer
Gasfeder ist, wobei die Druckräume der Gasfeder mit den Druckräumen der Sekundärfedern,die
ebenfalls Gasfedern sind, in Verbindung stehen.
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Diese kombinierte Feder besteht aus zwei einseitig offenen Zylindern
13 und 14, deren offene Seiten einander zugewandt sind. Die beiden Zylinder sind
miteinander verbunden durch einen elastischen Ring 15, der gegebenenfalls durch
einen Metallring 16 verstärkt und versteift sein kann. Der elastische Ring 15 wirt
dabei als elastische Feder. Der Innenraum 17 der Feder ist nach außen luftdicht
abgeschlossen, so daß die ganze Feder gleichzeitig als Gasfeder wirkt. Die Druckluft
wird der Gasfeder durch eine Leitung 18 zugeleitet, wobei gemäß der bereits erwähnten
gleichzeitig eir;reichten Patentanmeldung diese Leitung 18 mit den Druckräumen der
sekundären Luftfedern verbunden sein kann.
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Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel, das im wesentlichen der in Fig.
1 dargestellten Ausführungsform entspricht, wobeijedoch zusätzlich das Achslagergehäuse
1 mit dem Drehgestellrahmen 9 durch einen in Fahrzeuglängsrichtung liegenden Achslenker
19 verbunden ist, der bei 20 gelenkig am Achslagergehäuse, bei 21 gelenkig am Drehgestellrahmen
angeordnet ist.
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Zur Geräuschdämpfung können diese gelenkigen Verbindungen als Gummimetallverbindungen
ausgeführt sein.
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