DE4306848C2 - Hochgeschwindigkeits-Güterwagendrehgestell - Google Patents

Description

Die Erfindung befaßt sich mit einem Güterwagendrehgestell für hohe Geschwindigkeiten.

Gegenüber Standard-Güterwa­ gendrehgestellen sind besondere Einrichtungen und Maßnah­ men zur Erzielung der erforderlichen Laufruhe und der notwendigen Abbremsung bei hohen Fahrgeschwindigkeiten vorgesehen. Andererseits bestehen bei der Vielzahl von Güterwagen strengere wirtschaftliche Maßstäbe, die nur den unbedingt nötigen Aufwand rechtfertigen. Die hieraus resultierenden technischen Forderungen lassen sich wie folgt zusammenfassen: Hinsichtlich der Laufruhe müssen Güterwagen für einen Geschwindigkeitsbereich über 140 km/h eine lateral entkoppelte Drehgestellanlenkung auf­ weisen, um nicht den Güterwagen zu zwingen, den lateralen Bewegungen des Drehgestells beim Sinuslauf zu folgen. Ebenso ist zur Stabilisierung desselben eine ausreichende Drehhemmung zwischen Wagen und Drehgestell vorzusehen. Bei vielen Güterwagen besteht auch die Forderung nach verbesserter Wankstabilität. Nicht zuletzt ist eine bes­ sere vertikale Stoß- und Schwingungsisolation durch größere vertikale Federwege vonnöten, da mit höheren Fahrgeschwindigkeiten die Störkräfte ansteigen.

Ab 160 km/h machen sich longitudinale Erregerkräfte stö­ rend bemerkbar, die aus der Unwucht und Unrundheit der Radsätze herrühren und den Wagen zu vertikalen Biege­ schwingungen anregen. Für die Abbremsung müssen Scheiben­ bremsen in Mehrfachanordnung mit Maßnahmen zur besseren Wärmeabführung eingesetzt werden, da Klotzbremsen den bei hohen Geschwindigkeiten auftretenden Anforderungen nicht genügen.

Zur Lösung des Problems sind eine Vielzahl von Vorschlä­ gen bekannt, die sich gegenseitig häufig widersprechen oder ausschließen bzw. zu aufwendig sind und meistens aus dem Bereich der Reisezugwagen-Drehgestelle kommen.

Es ist allgemeiner Stand der Technik, für die lateral entkoppelte Drehgestellanlenkung eine Wiege mit Pendeln oder Schaken und Querdämpfern vorzusehen. Die Nutzung der Flexicoil-Wirkung von Schraubenfedern scheidet aus, da die vorhandenen großen Belastungsunterschiede bei Güter­ wagen den Schraubenfedern aufgrund entstehender Querfede­ rungseigenschaften nicht entsprechen. Es ist weiter bekannt, zur vollständigen Ausnutzung der vertikal zuläs­ sigen statischen Absenkung des Wagens zwischen leer und beladen nach stellbare Pendel vorzusehen. Die für Güter­ wagen günstigere belastungsproportionale Reibdämpfung durch seitliche Auflagerung auf die Wiege zur Stabilisie­ rung des Sinuslaufes muß im Hochgeschwindigkeitsbereich sorgfältig erfolgen. So erfordern die bei der Drehhemmung des Sinuslaufes auftretenden kleinen Reibwege bzw. -ampli­ tuden eine longitudinal nahezu starre Anlenkung der Wiege an das Drehgestell. Die bei Hochgeschwindigkeits­ reisezugwagen bekannten Anlenkungsausführungen sind ela­ stisch. Durch den Einbau der in Fahrzeuglängsrichtung progressiv elastischen Gummielemente zur schwingungsmäßi­ gen Isolierung der Radsatzerregerkräfte wird jedoch die Effektivität der Drehhemmung im Hochgeschwindigkeitsbe­ reich unzulässig abgemindert. Ein weiterer Bereich, in dem naheliegende Lehren vermittelt werden, ist die Achs­ federung und -führung.

Die Schrift DE 23 09 702 C3 bein­ haltet eine allseitig elastische Anlenkung des Achslager­ gehäuses, bei der in longitudinaler Richtung die größte Elastizität vorhanden ist, um eine freie Einstellbarkeit des Radsatzes im Gleisbogen zu ermöglichen. Eine zusätz­ liche Feder preßt ein längssteif angelenktes Gleitstück gegen eine oben liegende Reibfläche des Achslagergehäuses und erzeugt dadurch eine longitudinale Reibdämpfung.

In der DE 25 14 304 A1 ist ein Drehgestell für ein Schienen­ fahrzeug mit verwindbaren H-förmigen Rahmen und Achs­ lagergehäusen beschrieben, in denen Gummifedern die vertikale Belastung übertragen und Reibungsdämpfer die Federbewegung dämpfen.

Eine in allen drei Richtungen definierte und abstimmbare Elastizität der Anlenkung eines Achslagergehäuses beschreibt die DE 34 40 871 A1. Dies wird durch einzelne oder mehrere Gummischichtfedern, die in den jeweiligen Wirkungsrichtungen montiert sind, erreicht.

Alle diese Schriften vermitteln jedoch nicht die vollständige Lösung, die für Hochgeschwindigkeits-Güterwagen­ drehgestelle geeignet wäre.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein solches Drehgestell zu schaffen, welches die eingangs aufgezählten Forderungen nach ausreichender Drehhemmung und genügender Wankstabilität bei guter Stoß- und Schwingungsisolation erfüllt, wobei ein gegenläufiges Verhältnis zwischen der für die Dreh­ hemmung erforderlichen nahezu längsstarren Anlenkung der Wiege an den Drehgestellrahmen und andererseits nach einer ausreichenden Längselastizität zur Schwingungsiso­ lation der Radsatzerregerkräfte, die aus der Unwucht und Unrundheit herrühren, besteht.

Gelöst wird die Aufgabe mit den Merk­ malen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Diese Lösung erfordert eine nahezu längsstarre Ankopplung der Wiege an den Drehgestellrahmen zur effektiven Drehhemmung der kleinen Sinuslauf-Amplituden und andererseits eine ausreichende Längselastizität im Drehgestell zur schwingungsmäßigen Isolation der Radsatzerregerkräfte, die aus der Unwucht und Unrundheit herrührt. Hierzu dient erfindungsgemäß ein spezielles Achsführungs-, Federungs- und Dämpfungselement, das etwa 1/10 der zulässigen statischen Einfederung zwischen dem leeren und dem beladenen Güterwagen bewirkt. Außerdem besitzt dieses Element eine ausreichende Längselastizität und eine mehr­ fach größere Querelastizität für einen guten horizontalen Fahrzeuglauf. Zur Stabilisierung sind für die in allen drei Richtungen wirkenden Elastizitäten proportional abgestimmte Dämpfer integriert.

Die weiterhin davon bedingten und abgeleiteten Merkmale beziehen sich auf einen verwindbaren H-förmigen Drehge­ stellrahmen mit einer Z-förmigen fast längsstarren Anlen­ kung der Wiege und seitlichen Auflagerung des Güterwagens.

Je nach bestehenden Forderungen hinsichtlich der Wanksta­ bilität kann der Sekundärfederabstand gleich groß wie der Primärfederabstand sein. Eine größere Wankstabilität läßt sich durch Vergrößerung des Sekundärfederabstandes erzie­ len. Eine weitere Steigerung ergeben gegenüber der Senk­ rechten nach außen geneigte Pendel. Grundsätzlich werden zur Ausschöpfung der zulässigen statischen Einfederung die Pendel nachstellbar gestaltet. Weiterhin sind die Primär- und Sekundärfederkennlinien progressiv nach einer e-Funktion gestaltet, um gleichbleibende Einfederungsfre­ quenzen in allen Beladungszuständen zu erhalten. Beson­ deres Augenmerk erfordern die mehrfach Achswellen-Schei­ benbremsen. Die geringen Primärfederamplituden stellen keine besonderen Anforderungen an die Aufhängung der Bremsbeläge und ihrer Gestänge. Auch während des Bremsens ist nahezu die volle Stoß- und Schwingungsisolation erhalten.

Speziell für die Scheibenbremse ist der Drehgestellrahmen so gestaltet, daß ausreichend freie Querschnitte vorhan­ den sind, damit die für die Kühlung notwendige Luft auch zur Bremseinrichtung des nachlaufenden Radsatzes gelangen kann.

Drei Ausführungsbeispiele der Erfindung sollen anhand der Zeichnungen näher erläutert werden. Die Zeichnungen zei­ gen in:

Fig. 1: die halbe Seitenansicht und den halben Mitten­ längsschnitt eines Hochgeschwindigkeits-Güterwa­ gendrehgestells speziell für Geschwindigkeiten ab 160 km/h nach der Linie I-I der Fig. 2,

Fig. 2: die Draufsicht auf das Drehgestell nach Fig. 1,

Fig. 3: die halbe Seitenansicht und den halben Mitten­ längsschnitt eines wanksteiferen Hochgeschwin­ digkeits-Güterwagendrehgestells für Geschwindig­ keiten über 200 km/h nach einer Linie III-III der Fig. 4,

Fig. 4: die Draufsicht auf das Drehgestell nach Fig. 3,

Fig. 5: die halbe Seitenansicht und den halben Mitten­ längsschnitt eines weiteren wanksteiferen Hoch­ geschwindigkeits-Güterwagendrehgestells für Geschwindigkeiten über 200 km/h nach einer Linie V-V der Fig. 6,

Fig. 6: die Draufsicht auf das Drehgestell nach Fig. 5,

Fig. 7: den Querschnitt nach der Linie VI-VI der Fig. 8,

Fig. 8: die halbe Seitenansicht und den halben Längs­ schnitt des Führungs-, Federungs- und Dämpfungs­ elements einem größeren Maßstab,

Fig. 9: eine weitere Variante analog Fig. 8,

Fig. 10: die halbe Draufsicht im Schnitt nach der Linie II-II Fig. 8.

Gemäß Fig. 1 und 2 ist ein H-förmiger und verwindbarer Drehgestellrahmen 1 durch zwei elastisch-kardanische Lager 2 vertikal gelenkig verbunden, jedoch horizontal ecksteif gestaltet. Diese Lager 2 sind diagonal gegenüber im mittleren Teil der Langträger 3 angeordnet und stützen eine Seite der Querträger 4 während die andere Seite mit den anderen Langträger 3 fest verbunden ist.

Die Querträger 4 tragen außerdem die Scheibenbremsge­ stänge 5.

An zwei diagonal gegenüberliegenden Enden der Langträger 3 sind nahezu längsstarr und kardanisch die Wiegenlenker 6 Z-förmig angekoppelt. Diese verbinden die Wiege 7 mit dem Drehgestellrahmen 1. In der Mitte der Wiege 7 taucht ein Drehzapfen 8 ein, der die längs- und quergerichteten Kräfte überträgt. Die senkrechte Belastung wird über seitliche Gleitstücke 9 übertragen. Infolge der nahezu längsstarren Ankopplung der Wiege 7 an den Drehgestell­ rahmen 1 können die seitlichen Gleitstücke 9 die erfor­ derliche Drehhemmung bewirken. Die Gleitamplituden errei­ chen meist nur einen Betrag bis zu zwei mm. Die Wiege 7 stützt sich auf Schraubenfedern 10, die im Inneren eine Gummi-Zusatzfeder 11 besitzen und im Arbeitsbereich der beiden Schraubenfedern 10 und Gummizusatzfeder 11 eine progressive Kennlinie nach einer e-Funktion erzeugen. Der Anteil der Wiegenfedern beträgt ca. 90% des zulässigen statischen Federweges zwischen leerem und beladenem Fahr­ zeug. Die Schraubenfedern 10 und Gummizusatzfedern 11 stehen auf einem Wiegentrog 12. Dieser hängt an vertika­ len Pendeln 13, die zum Ausgleich des Höhenverlustes infolge Laufflächenberichtigungen nachstellbar sind.

Die Pendel 13 werden durch eine Bolzenlagerung 14 mit dem Wiegentrog 12 verbunden, um Instabilität infolge Abkip­ pens des Wiegentroges 12 zu vermeiden.

Oben erfolgt die Lagerung der Pendel 13 im Langträger 3 durch ein sphärisches Lager 15. Im mittleren Bereich ist der Langträger 3 verbreitert. Dort befindet sich eine Öffnung, durch die die Schraubenfedern 10 hindurchragen. An allen vier Enden des Drehgestellrahmens 1 sind kombi­ nierte Führungs-, Federungs- und Dämpfungselemente 16 angeordnet, die die Radsätze 17 anlenken. Auf die Füh­ rungs-, Federungs- und Dämpfungselemente 16 wird später näher eingegangen.

Die volle Ausschöpfung des zulässigen Federweges ergibt eine größere Wankstabilität gegenüber konventionellen Güterwagendrehgestellen. Bei diesen wird bei eintretendem Höhenverlust infolge Laufflächenberichtigung auf eine Nachstellung verzichtet. Aus diesem Grunde steht für die Federung nur ein Teil der zulässigen statischen Absenkun­ gen zwischen leerem und beladenem Fahrzeug zur Verfügung. Das heißt, die Federung ist härter und das Fahrzeug ist wanksteifer.

Um die Wanksteifheit mit einfachen Mitteln auch bei dem vollen zulässigen Federweg zu erzielen, wird eine weitere Ausführungsvariante in den Fig. 3 bis 4 vorgestellt.

Das wanksteifere Drehgestell wird durch die Vergrößerung des Querabstandes der Schraubenfedern 10 erzielt. Das ist sehr effektiv, da der Abstand zum Quadrat in die Wank­ steifigkeit eingeht. Ansonsten entspricht das Drehgestell weitgehend der Ausgangsvariante. Die beiden elastisch-kar­ danischen Lager 2, die die Drehgestellhälften verbin­ den, sind den veränderten Bedingungen angepaßt und ermög­ lichen, daß der Querträger 4 über den Langträger 3 hinauskragt. Um Raum für den Wiegenlenker 6 zu schaffen, erfolgt die Anordnung der Pendel 13 in einem Winkel zum Langträger 3 und die Aufhängepunkte befinden sich in den Querträgern 4.

Der Wiegentrog 12 ist ebenfalls im gleichen Winkel aufge­ hängt und die Pendel 13 besitzen oben und unten sphäri­ sche Lager 15. Damit es hierdurch nicht zu Instabilitäten der Wiegentröge 12 kommt, sind diese durch zwei torsions­ weiche Trogverbinder 18 (Fig. 6 und 7) zusammengekoppelt. Die Anlenkung der Radsätze 17 erfolgt ebenfalls durch die kombinierten Führungs-, Federungs- und Dämpfungselemente 16.

Die größte Wanksteifheit ohne Verwendung von zusätzlichen Stabilisatoren läßt sich bei erhöhtem Federquerabstand durch geneigte Anordnung der Pendel 13 erzielen. Eine solche Ausführungsvariante, bei der die Pendel 13 im Langträger 3 angeordnet sind, zeigen die Fig. 5 bis 7.

Bei der Durchfahrt eines Gleisogens mit Fliehkraftüber­ schuß pendelt die Wiege 7 nach bogenaußen. Infolge der geneigten Pendel 13 um ca. 8° hebt sich dabei der bogenäußere Wiegentrog 12, während sich gleichzeitig der bogeninnere Wiegentrog 12 abgesenkt. Dieser Effekt ist gleichbedeutend mit einer zusätzlichen Gleisüberhöhung oder anders ausgedrückt, vermindert er den Wankwinkel gegenüber einer senkrechten Pendelanordnung. Außer dieser Besonderheit besitzt das Drehgestell analoge Bauelemente der ersten oder zweiten Ausführungsvariante. Der Unter­ schied besteht hauptsächlich darin, daß der Wiegentrog 12 nicht unmittelbar an den Pendeln 13 aufgehängt ist, sondern unter Zwischenschaltung der Trogverbinder 18. Da diese lasttragend sind, wurde auf eine torsionsweiche Bauart verzichtet und statt dessen die beiden Trogverbin­ der 18 diagonal an einer Seite am Wiegentrog 12 fest angeschlossen und an der anderen Seite unter Zwischen­ schaltung eines elastisch-kardanischen Lagers 2 ange­ lenkt. Hierdurch ist auch bei Gleisverwindungen ein Aus­ gleich der Belastungen im Drehgestell gegeben.

Das in allen Ausführungsvarianten enthaltene Führungs-, Federungs- und Dämpfungselement 16 zeigen die Fig. 8 bis 10.

Der Radsatz 17 besitzt an beiden Seiten geschlossene Kegelrollenlagereinheiten 34, diese werden von einem Achslagergehäuseoberteil 19 und einem Achslagergehäuseun­ terteil 20 umfaßt, wobei letzteres unten den Durchbruch 21 besitzt, damit Heißlauf-Detektoren die Lagertempera­ turen exakt feststellen können. Die beiden Achslagerge­ häuseoberteile 19 und Achslagergehäuseunterteil 20 werden durch einen Gehäusedeckel 22 und einen Gehäuseboden 23 zusammengehalten. Die senkrechte Belastung wird zum größten Teil von einer oberen Gummidruckfeder 24 übertra­ gen. Damit die gewünschte progressive Kennlinie entsteht, erhält die Gummidruckfeder 24 eine Stützglocke 25, die gleichzeitig als senkrechter Notanschlag dient. Die glei­ chen Aufgaben kann auch ein Gürtelring 25′ erfüllen. Zwi­ schen Gummidruckfeder 24 und Achslagergehäuseoberteil 19 befindet sich eine waagerechte Reiblamelle 26. Diese hat eine ringförmige Auflage und Reibfläche und füllt den Ab­ stand zwischen Gehäusedeckel 22 und Gehäuseboden 23 aus.

Die Lamelle 26 ist über den flachen Querschnitt elastisch verformbar, aber gegenüber den auftretenden Reibkräften knicksteif. An seinem Ende ist diese an einem Bolzen 27, der am Ende des Langträgers 3 befestigt ist, drehbar und senkrecht verschiebbar gelagert.

An beiden Seiten des Achslagergehäuseoberteils 19 und Achslagergehäuseunterteils 20 ist je eine Gummi-Schub- Druckfeder 28 unter einem Außenwinkel von 75° befestigt. Zwischen dem Achslagergehäuseunterteil 20 und den Gummi- Schub-Druckfedern 28 ist hier zusätzlich je ein Anpreßkeil 29 und je eine senkrechte Reiblamelle 30 ange­ bracht, deren ringförmige Auflage und Reibfläche in einer senkrechten Nut des Anpreßkeiles 29 fest verbunden wird, dieser erhält die senkrechte Führung oben an der Teilungsfuge durch das Achslagergehäuseoberteil 19 und unten durch eine Nase 35 des Achslagergehäuseunterteils 20.

Die seitlichen Führungen bilden der Gehäusedeckel 22 und der Gehäuseboden 23. Die Schäfte der senkrechten Reib­ lamellen 30 sind ebenfalls elastisch und knicksteif und sind unten auf dem Bolzen 27 dreh- und verschiebbar gela­ gert. Diese Bolzen 27 sind an einem Achshaltersteg 31 be­ festigt, der ebenfalls wie das Achslagergehäuseunterteil 20 einen Durchbruch 21 hat. Die Gummi-Schub-Druckfedern 28 sind außen lösbar in dem Langträger 3 gehalten. Dazu dienen oben ein prismatischer Anschlag 32 und seitlich je ein stufenförmiger Anschlag 33. Dieser bildet außerdem noch die horizontalen Begrenzungen und Notführungen des Radsatzes 17 dadurch, daß der Gehäusedeckel und der Gehäuseboden 23 an dem stufenförmigen Anschlag 33 dann zur Anlage kommt.

Die senkrechte Federung entsteht durch die obere Gummi­ druckfeder 24 und die seitlichen Gummi-Schub-Druckfe­ dern 28. Für die Längsführung und -federung dienen zum überwiegenden Teil die Druck-Komponenten der Gummi- Schub-Druckfeder 28 während die Querfederung und -führung durch Schub-Komponenten der gleichen Gummi-Schub-Druck­ federn 28 erfolgt. Die Reibdämpfung der Längsbewegung entsteht zwischen waagerechter Reiblamelle 26 und Achsla­ gergehäuseoberteil 19.

Jeweils die Kraft nur einer Gummi-Schub-Druckfeder 28 sorgt unter Zwischenschottung des Anpreßkeils 29 für die senkrechte Reibdämpfung, die zwischen Achslagergehäuse­ unterteil 20 und der senkrechten Reiblamelle 30 und zwi­ schen dieser und dem Anpreßkeil 29 entsteht. Durch die Drehbewegung der waagerechten Reiblamelle 26 und der bei­ den senkrechten Reiblamellen 30 und den Bolzen 27 und durch die seitliche Anlage der ringförmigen Reibflächen entsteht die Querdämpfung. Durch die aufeinander abge­ stimmten Elastizitäten und Dämpfungen in allen drei Rich­ tungen ist es möglich, auch bei hohen Fahrgeschwindigkei­ ten bei einer Schwingungsisolation der Radsatzerreger­ kräfte am Achslagergehäuse einen stabilen Fahrzeuglauf zu erzielen.

Claims (4)

1. Hochgeschwindigkeits-Güterwagendrehgestell mit ver­ windbarem, H-förmigen Rahmen und allseitig elastischer Anlenkung der Achslagergehäuse, in denen Gummifedern die vertikale Belastung übertragen und Reibungsdämpfer die Federbewegung dämpfen, mit in allen drei Richtun­ gen definierter und abstimmbarer Elastizität der An­ lenkung der Achslagergehäuse mittels einzelner oder mehrerer Federn, die in den jeweiligen Wirkungsrich­ tungen montiert sind, wobei zwischen Drehgestellrahmen (1) und Achslagergehäuseoberteil (19) sowie Achsla­ gergehäuseunterteil (20) kombinierte Führungs-, Fede­ rungs- und Dämpfungselemente (16) angeordnet sind, deren Vertikalfederung progressiv ist und ungefähr 1/10 des Gesamtfederweges beträgt, die longitudinale Federkonstante erheblich größer als die laterale Federkonstante ist und daß in allen drei Richtungen wirkende Reiblamellen (26, 30) angeordnet sind.

2. Hochgeschwindigkeits-Güterwagendrehgestell nach An­ spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Achs­ lagergehäuseoberteil (19) und einer darüber vertikal mittig angeordneten Gummidruckfeder (24) die Reibla­ melle (26) angeordnet ist, die eine ringförmige Reib­ fläche besitzt und am Ende auf einen Bolzen (27) gela­ gert wird und daß weiterhin beiderseits des Achslager­ gehäuseoberteils (19) und des Achslagergehäuseunter­ teils (20) sich mehrere Gummi-Schub-Druckfedern (28) teilweise unter Zwischenschaltung eines Anpreßkeiles (29) befinden, zwischen denen senkrechte Reiblamellen (30) mit ringförmiger Auflage angeordnet sind, die am Ende auf dem Bolzen (27) gelagert sind, wobei nicht alle Gummi-Schub-Druckfedern (28) mit den senkrech­ ten Reiblamellen (30) wirksam verbunden sind.

3. Hochgeschwindigkeits-Güterwagendrehgestell nach An­ spruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schraubenfeder (10) in ihrer Mitte eine progressiv wirkende Gummizusatzfeder (11) aufweist, die nur im Arbeitsbereich zwischen leerem und beladenem Fahrzeug wirkt und daß der Querabstand der Schraubenfeder (10) gleich oder größer als der Querabstand des Führungs-, Federungs- und Dämpfungselements (16) der Radsätze (17) ist und daß nachstellbare Pendel (13) senkrecht oder unten nach außen geneigt ausgeführt sind.

4. Hochgeschwindigkeits-Güterwagendrehgestell nach An­ spruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die mit­ tige Gummidruckfeder (24) eine Stützglocke (25) oder einen Gürtelring (25′) aufweist, wobei ein Abstand zwischen Gummidruckfeder (24) und Stützglocke (25) von ihrer gemeinsamen Verbindungsstelle zum Glockenrand bzw. Gürtelringrand hin größer werdend vorgesehen ist, und die Stützglocke (25) oder der Gürtelring (25′) gleichzeitig als senkrechter Notanschlag dient und daß weiterhin durch Gehäusedeckel (22) und Gehäuseboden (23) im Zusammenwirken mit stufenförmigen Anschlägen (33) der Federweg in Längs- und Querrichtung begrenzt wird und die waagerechte Notführung bildet.