DE4240098A1

DE4240098A1 - Fahrwerk für Schienenfahrzeuge

Info

Publication number: DE4240098A1
Application number: DE4240098A
Authority: DE
Inventors: Ernst Dipl-Ing Pees; Hans-Dieter Dipl-Ing Schaller
Original assignee: Krupp Verkehrstechnik GmbH
Current assignee: Siemens Schienenfahrzeugtechnik GmbH
Priority date: 1992-11-28
Filing date: 1992-11-28
Publication date: 1994-06-01
Also published as: EP0600172B1; US5429056A; EP0600172A1; DE59308925D1; ATE170142T1; CA2109560A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Fahrwerk für Schienenfahrzeuge mit wenigstens vier Radsätzen und jeweils mindestens zwei Radsätze zu einem Drehgestell zusammengefaßt sowie über Kopplungs- und Führungs elemente mit einem Drehgestellrahmen verbunden sind und der Drehgestellrahmen gegenüber einem Fahrzeugrahmen verdrehbar angeordnet ist.

Bei der Auslegung von Fahrwerken dieser Art sind im wesentlichen zwei Problemfelder zu beachten. Dieses sind:

- ein stabiler Lauf in der Geraden über den gesamten Geschwindigkeitsbereich und
- ein verschleißarmer Lauf im Bogen.

Es sind bereits Fahrwerke bekannt, die durch eine steife Längsführung der Radsätze verhindern, daß es zu selbsterregten Schwingungen kommt und eine sichere Übertragung der Antriebs- und Bremskräfte gewähr leisten. Wegen der großen Rückstellkräfte, die dem Aus drehen der Radsätze durch solche Längsführungen ent gegengebracht werden, können sich diese Radsätze im Bogen nicht vollständig radial einstellen. Der ver bleibende Schräglauf induziert am vorlaufenden Radsatz des Drehgestells eine nach außen gerichtete Querkraft und am nachlaufenden Radsatz eine zur Bogenmitte zeigende Kraft. Infolge der Momentenwirkung stellt sich das Drehgestell antiradial ein. Dieses wird als Spieß gang oder hinterer Freilauf bezeichnet.

Dieses Bogenlaufverhalten führt zu großen Reibungs kräften zwischen Rad und Schiene und einem entsprechend hohen Verschleiß.

Mit der Wahl geringerer Steifigkeiten in den Radsatz längsführungen läßt sich zwar das Kurvenlaufverhalten verbessern, gleichzeitig verschlechtert sich jedoch die Stabilität bei der Fahrt in der Geraden.

Die Forderung nach einem verschleißarmen Bogenlauf und nach einer ausreichend großen Stabilität bei der Geradeausfahrt erfordern deshalb meist einen Kompromiß bezüglich der Radsatzlängsfesselung.

Es sind ferner Fahrwerke bekannt, die zwei durch eine mechanische Kopplungseinrichtung gegensinnig mitein ander verkoppelte Radsätze aufweisen und deren Rad profil und Radsatzlängsfesselung derart gestaltet sind, daß die elastischen Rückstellkräfte, die dem Ausdrehen der Radsätze am Drehgestellrahmen entgegenwirken, kleiner sind als die durch die Laufflächenkonizität der Räder erzeugten Längskräfte.

Derartige kreuzgekoppelte Laufwerke sind mit dem Nach teil behaftet, daß aufgrund der geringen Längssteifig keit der Radsatzführungen zusätzliche Lenker zur Zug kraft- bzw. Bremskraftübertragung benötigt werden. Des weiteren sind besonders Radprofile erforderlich.

Andere Konstruktionen versuchen guten Bogenlauf und eine hohe Stabilität dadurch zu vereinen, daß über Hebel die Ausdrehbewegung zwischen dem Drehgestell rahmen und dem Fahrzeugrahmen auf eine radiale Ein stellung der Radsätze übertragen wird. Wegen der im allgemeinen unterschiedlichen Ausdrehwinkel der beiden Drehgestelle wird das vorlaufende Drehgestell auf einen zu großen Bogenradius eingestellt, während das nach laufende Drehgestell übersteuert wird.

Neben diesem Nachteil ist als weitere ungünstige Eigen schaft derartiger Konstruktionen der hohe Aufwand an mechanischem Kopplungselementen, wie Hebel und Gelenke, die mit Verlusten und Verschleiß behaftet sind, zu nennen.

Eine Verbesserung gelingt durch die Anwendung von Elastomerelementen als Gelenke. Allerdings haben diese Gelenke größere elastische Spiele und erfüllen deshalb die Übertragungsfunktion nur bedingt.

Ferner können sich die Kopplungen zwischen dem Fahr zeugrahmen und den Radsätzen negativ auf die Stabilität beim Lauf in der Geraden auswirken.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Fahr werk für Schienenfahrzeuge zu schaffen, das mit einem geringen Aufwand an mechanischen Kopplungseinrichtungen die radiale Einstellbarkeit der Radsätze beim Bogenlauf sicherstellt, den Verschleiß auf ein Minimum senkt und somit eine gute Zugkraftübertragung im Bogenlauf ge währleistet und die Stabilität beim Lauf in der Geraden nicht beeinträchtigt.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß dadurch, daß an den Endradsätzen der Drehgestelle, kraftge regelte Stellglieder, wie Luftbalgzylinder angelenkt sind, die an den Radsatzlagern zum radialen Ausdrehen des Radsatzes gegenüber dem Drehgestellrahmen angreifen und daß die Stellglieder parallel zu Längslenkern mit einem gegeneinander verspannten Federpaket zur Radsatz längsfesselung angeordnet sind.

Weiterhin ist alternativ vorgesehen, daß an den Endrad sätzen der Drehgestelle weggeregelte Stellglieder, wie Verstellmotore zur Verstellung einer Spindel über eine angetriebene Mutter, angelenkt sind, die an den Rad satzlagern zum radialen Ausdrehen des Radsatzes gegen über dem Drehgestellrahmen angreifen und daß die Stell glieder in Reihe mit Längslenkern zur Radsatzlängs fesselung angeordnet sind.

Durch diese Ausbildungen ist es möglich, bei einer Bogenfahrt durch Betätigung der Stellglieder auf ein dem Bogenradius entsprechendes Maß die Endradsätze der Drehgestelle in die radiale Stellung zu spreizen, ohne daß dadurch Rückstellkräfte auf die Radsätze oder den Fahrzeug- oder Drehgestellrahmen entstehen. Die radiale Stellung der Radsätze führt zu einem niedrigen Ver schleißniveau und zu einem gleichmäßigen Verschleiß verhalten aller Räder. Wegen der nahezu gleichgroßen Haftwertinanspruchnahme in allen Radaufstandspunkten läßt sich eine bessere Zugkraft- bzw. Bremskraftausnutzung im Bogen erreichen, ohne daß es zum Schleudern oder Blockieren der Räder kommt.

Da eine mechanische Kopplung zwischen der Ausdrehbe wegung der Radsätze und der Ausdrehbewegung des Dreh gestellrahmens entfällt, können sich die Anlaufwinkel der Radsätze frei an das zur Übertragung von Flieh kräften erforderliche Maß anpassen.

Das Fehlen unerwünschter Kopplungen und die Tatsache, daß eine steife Radsatzlängsfesselung gewählt wird, garantieren eine hohe Stabilität sowohl beim Lauf in der Geraden als auch bei Bogenfahrt.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung wird da durch geschaffen, daß als Meßelement zwischen Fahrzeug rahmen, und Drehgestellrahmen ein Sensor angeordnet ist und die Stellglieder entsprechend dem von dem Sensor ermittelten Ausdrehwinkel einstellbar sind.

Es wird ferner vorgeschlagen, daß an jedem Drehgestell rahmen ein Sensor angeordnet ist und die Stellglieder gemeinsam entsprechend dem Mittelwert der beiden Aus drehwinkel über eine Steuervorrichtung einstellbar sind. Der besondere Vorteil dieser Anordnung liegt darin, daß aus einem mittleren Ausdrehwinkel sehr genau der durchfahrene Bogen bestimmbar ist.

In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfin dung schematisch dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht eines Fahrwerkes mit kraftgeregelten Stellgliedern zur radialen Einstellung,

Fig. 2 eine Seitenansicht eines Fahrwerkes mit weggeregelten Stellgliedern zur radialen Einstellung,

Fig. 3 eine Detailansicht eines weggeregelten Stellgliedes gemäß Fig. 2,

Fig. 4 eine Anordnung eines Sensors zwischen Drehgestellrahmen und Fahrzeugrahmen,

Fig. 5 eine Anordnung von Sensoren an Enddrehge stellen und die Aufbereitung der Meßsig nale und

Fig. 6 eine Seitenansicht eines zweiachsigen Drehgestelles mit einem kombinierten Stellglied für beide Radsätze als kraft geregeltes Stellglied.

Bei der dargestellten Ausführung gemäß Fig. 1 werden die beiden Endradsätze eines Drehgestelles mit einem vorlaufenden Endradsatz 6 und ein nachlaufender Endrad satz 6′ gezeigt. Entsprechende Zwischenradsätze sind nicht näher dargestellt. Die Radsätze 6, 6′ sind in Rad satzlagern 5, 5′ gelagert, wobei zwei Schraubenfedern 4, 4′ die Querlasten vom Drehgestellrahmen 3 auf den Radsatz 6, 6′ übertragen. In Längsrichtung werden die Radsätze 6, 6′ mit Hilfe eines Längslenkers 7, 7′ und einem gegeneinander verspannten Federpaket 8, 8′ ge führt. Ebenfalls am Längslenker 7, 7′ parallel zu dem Federpaket 8, 8′ greift ein kraftgeregeltes Stellglied 9, 9′ an. Im vorliegenden Fall wurden hierbei Luftbalg zylinder als kraftgeregelte Stellglieder 9, 9′ gewählt.

Bei der Geradeausfahrt sind alle Stellglieder 9, 9′ in Form von Luftbalgzylindern drucklos geschaltet und üben deshalb keine Kraft auf den Radsatz 6, 6′ aus. Bei Bogenfahrten werden nur die an der Bogenaußenseite liegenden Stellglieder 9, 9′ mit Druckluft beaufschlagt, so daß eine die beiden Endradsätze 6, 6′ spreizende Kraft entsteht, die die Radsätze 6, 6′ veranlaßt, sich radial einzustellen. Durch eine Variation des Druckes kann die Kraft und damit der Winkel zwischen den Rad sätzen 6, 6′ und dem Drehgestellrahmen 3 dem Bogenradius angeglichen werden.

Anstelle der Luftbalgzylinder sind selbstverständlich auch andere kraftgeregelte Stellglieder 9, 9′, wie Druckluftzylinder, anwendbar. Sofern diese Elemente sowohl Zug- als auch Druckkräfte ausüben können, be steht die Möglichkeit, die Stellglieder 9, 9′ entweder nur auf einer Seite der Radsätze 6, 6′ anzuordnen oder die Stellglieder 9, 9′ derart zu schalten, daß die an der Bogenaußenseite liegenden eine spreizende, die an der Bogeninnenseite liegenden eine kontrahierende Kraft der halben Größe erzeugen.

Gemäß Fig. 2 ist ein Fahrwerk mit einer Radialsteuerung durch ein weggeregeltes Stellglied 11 dargestellt. Die Führung des Radsatzes 6 erfolgt analog der in Fig. 1 skizzierten Weise. Die Funktion des Federpaketes 8, 8′ übernehmen Sphärolager an den Enden des Längslenkers 10.

Eine Detailausführung eines weggeregelten Stellgliedes in Form einer mechanischen Verstelleinrichtung ist in Fig. 3 dargestellt. In dieser Ausführung ist der Längs lenker 10 über das Sphärolager und zwei Klauen 12 mit einer Bewegungsspindel 13 verbunden, wobei die Lager 16 zwischen einer Spindelmutter 14 und einem Befestigungs block 17 sicherstellen, daß sich die Spindelmutter 14 frei um ihre Achse drehen kann, jedoch axial festliegt und somit die Längskräfte des Radsatzes 6 aufnimmt. Durch den Antrieb der Spindelmutter 14 über ein Zahnrad 15 mit Hilfe eines Verstellmotors wird die Drehbewegung der Spindelmutter auf eine axiale Bewegung der Spindel 13 und des Sphärolagers übertragen. Statt einer mecha nischen Verstelleinrichtung sind selbstverständlich auch hydraulische Zylinder einsetzbar.

In Fig. 4 ist die Anordnung eines Sensors 18 zur Steue rung der Stellglieder 9, 9′; 11 anhand eines schematisch dargestellten Drehgestelles dargestellt. Aus einer Ab standsmessung zwischen dem Sensor 18 und einer am Fahr zeugrahmen 1 angebrachten Meßfläche wird der Ausdreh winkel zwischen Drehgestellrahmen 3 und Fahrzeugrahmen 1 bestimmt.

Die Winkelmessung erfolgt sinnvollerweise in Längs richtung, da die Verschiebbarkeit zwischen Drehgestell rahmen und Fahrzeugrahmen in Längsrichtung im allge meinen kleiner ist als in lateraler Richtung.

Gemäß Fig. 5 ist eine Anordnung von zwei Drehgestellen mit Sensoren 18, 18′ sowie eine logische Verknüpfung der beiden Meßsignale anhand eines im Spurkanal stehenden Schienenfahrzeuges dargestellt.

Mit dem Sensor 18 am vorlaufenden Drehgestell 3 sowie dem Sensor 18′ am nachlaufenden Drehgestell 3′ wird jeweils der Ausdrehwinkel (α, α′) bezüglich des Fahr zeugrahmens 1 gemessen.

Wegen der Schrägstellung innerhalb des Spurkanals und innerhalb der Querfederung können die beiden Winkel α und α′ von dem Winkel (αΦ) abweichen, der sich für radialstehende Drehgestelle ergibt:

mit lg: Drehgestellmittenabstand
Rm: mittlerer Bogenhalbmesser

Es zeigt sich, daß der Ausdrehwinkel des vorlaufenden Drehgestelles etwas kleiner als αΦ ist

α = αΦ - Δα

und der Ausdrehwinkel des nachlaufenden etwas größer

α = αΦ + Δα′

Weil Δα und Δα′ etwa gleich groß sind, läßt sich aus der Summe respektive dem Mittelwert der beiden Winkel vorzüglich ein sehr genaues Maß für den durchfahrenden Bogenradius Rm ableiten:

Die Verschaltung der Sensorausgangssignale ist eben falls in Fig. 5 dargestellt. Durch Summation bzw. Mittelwertbildung (19) werden die beiden Meßsignale zu einer Größe zusammengefaßt und in den Bogenradius Rm umgerechnet (20). Diese aufbereitete Größe steht nun zur Sollwertvorgabe innerhalb des Regelkreises der Stellglieder 9, 9′; 11 zur Verfügung. Zu berücksichtigen sind nur noch die Achsabstände und die Steifigkeiten, die dem Ausdrehen des Radsatzes gegenüber dem Drehge stellrahmen entgegengesetzt sind.

Wie in Fig. 6 gezeigt ist, bietet es sich bei zweiach sigen Drehgestellen mit nicht allzu großem Achsabstand an, die kraftgeregelten Stellglieder 9, 9′ des vor laufenden und des nachlaufenden Radsatzes 6, 6′ zu einem Stellglied 9 zu kombinieren. Eine ähnliche Anordnung läßt sich auch für weggeregelte Stellglieder 11 reali sieren.

Claims

1. Fahrwerk für Schienenfahrzeuge mit wenigstens vier Radsätzen und jeweils mindestens zwei Radsätze zu einem Drehgestell zusammengefaßt sowie über Kopplungs- und Führungselemente mit einem Drehge stellrahmen verbunden sind und der Drehgestell rahmen gegenüber einem Fahrzeugrahmen verdrehbar angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß an den Endradsätzen (6, 6′) der Drehgestelle kraftgeregelte Stellglieder (9, 9′), wie Luftbalgzylinder, ange lenkt sind, die an den Radsatzlagern (5, 5′) zum radialen Ausdrehen des Radsatzes (6, 6′) gegenüber dem Drehgestellrahmen (3) angreifen und daß die Stellglieder (9, 9′) parallel zu Längslenkern (7, 7′) mit einem gegeneinander verspannten Federpaket (8, 8′) zur Radsatzlängsfesselung angeordnet sind.

2. Fahrwerk für Schienenfahrzeuge mit wenigstens vier Radsätzen und jeweils mindestens zwei Radsätze zu einem Drehgestell zusammengefaßt sowie über Kopplungs- und Führungselemente mit einem Drehge stellrahmen verbunden sind und der Drehgestell rahmen gegenüber einem Fahrzeugrahmen verdrehbar angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß an den Endradsätzen (6, 6′) der Drehgestelle weggeregelte Stellglieder (11), wie Verstellmotore zur Ver stellung einer Spindel (13) über eine angetriebene Mutter (14) angelenkt sind, die an den Radsatz lagern (5, 5′) zum radialen Ausdrehen des Radsatzes (6, 6′) gegenüber dem Drehgestellrahmen (3) an greifen und daß die Stellglieder (11) in Reihe mit Längslenkern (10) zur Radsatzlängsfesselung ange ordnet sind.

3. Fahrwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß als Meßelement zwischen Fahrzeug rahmen (1) und Drehgestellrahmen (3) ein Sensor (18) angeordnet ist und die Stellglieder (9, 9′; 11) entsprechend dem von dem Sensor (18) ermittelten Ausdrehwinkel einstellbar sind.

4. Fahrwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß an jedem Drehgestellrahmen (3) ein Sensor (18, 18′) angeordnet ist und die Stell glieder (9, 9′; 11) gemeinsam entsprechend dem Mittelwert der beiden Ausdrehwinkel über eine Steuervorrichtung einstellbar sind.