Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Schienenfahrzeug nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

An das Fahrverhalten von Schienenfahrzeugen werden aus Gründen steigender Fahrgeschwindigkeiten und eines verbesserten Fahrkomforts hohe Anforderungen gestellt. Ein hoher Fahrkomfort erfordert eine weitgehende Entkoppelung von Fahrwerk und Wagenkasten, damit das Fahrwerk bei Fahrt in der Geraden der Gleislage elastisch und möglichst unbehindert folgen kann. Dies wiederum bedingt eine weiche Wankabfederung des Wagenkastens, etwa mittels zweier, seitlich zwischen Wagenkasten und Fahrwerk angeordneter Luftfedern, die zusätzlich zur Wankabfederung auch die Vertikalabstützung des Wagenkastens am Fahrwerk übernehmen.

Eine solche weiche Sekundärfederung führt jedoch bei Einwirkung von quasistatischen

Fliehkraftbeschleunigungen, z.B. infolge schneller Bogenfahrt, oder beim Stand im überhöhten Gleis zu großen Wankwinkelausschlägen. Andererseits müssen für den maximalen Wankwinkel aber unbedingt eng vorgegebene Grenzwerte eingehalten werden, und zwar nicht nur, weil der Reisende eine starke Neigung des Wagenkastens bei Bogenfahrt als unangenehm empfindet, sondern vor allem aus Sicherheitsgründen, da das zulässige

Umgrenzungsprofil unter keinen Umständen überschritten werden darf.

Bekannt sind regelbare Luftfederungen zur weichen Sekundärabfederung des Wagenkastens, die durch entsprechende Luftdruckregelung der einzelnen Luftfedern zusätzlich zu einer Höhenniveau-Regulierung eine Begrenzung der Wagenkastenneigung bewirken sollen. Mit derartigen Luftfedersystemen lassen sich jedoch nur statische oder quasistatische Lageänderungen zwischen Fahrwerk und Wagenkasten ausgleichen, infolge der konstruktiv bedingten Trägheit der Luftdruck-Regelung nicht aber die dynamischen Wankbewegungen wirksam stabilisieren, so daß es etwa bei einer schnellen Bogeneinfahrt zu einem starken Überschwingen des Wagenkastens kommt, abgesehen davon, daß eine wankwinkelabhängige Luftdruck-Regelung einen unerwünscht hohen Druckluftverbrauch zur Folge hat.

In Verbindung mit geregelten Sekundär-Luftfedersystemen sind weiterhin passiv wirkende Wankstabilisatoren in Form von Torsionsfederstäben bekannt. Dabei sind die Luftfedern schwingungstechnisch zusammengeschaltet, werden also nicht wankwinkelabhängig geregelt und sind ausschließlich zum Ausgleich von Höhenniveauänderungen aufgrund unterschiedlicher Beladung vorgesehen, während die Begrenzung der Wagenkastenneigung allein von den Wankstabilisatoren übernommen wird. Deren Federkennlinie wird durch den maximal zulässigen Wankwinkel bei schneller Bogenfahrt bestimmt und bewirkt daher auch bei Fahrt in der Geraden eine enge Verkuppelung von Fahrwerk und Wagenkasten, mit der Folge, daß der Fahrkomfort und die vertikale Radkraftdynamik negativ beeinflußt werden. Hinzukommt, daß regelbare Fahrwerk- oder Drehgestell-Luftfederungen

den Einbau von Notfedern erfordern, die bei Ausfall der Luftversorgung eine - baubedingt nun wesentlich härtere - Abfederung des Wagenkastens übernehmen. Die höhere Steifigkeit dieser Notfedern führt in Verbindung mit der hohen Verwindungssteifigkeit des Wagenkastens dazu, daß das Fahrzeug auf Gleisverwindungen mit spürbaren Radentlastungen reagiert. Die zusätzliche Versteifung zwischen Fahrwerk und Wagenkasten durch passiv wirkende Wankstabilisatoren zur Begrenzung der Wagenkastenneigung bei Bogenfahrt führt daher bei Fahrt auf Notfedern zu einer merklichen Beeinträchtigung der Entgleisungssicherheit.

Auch durch die aus der DE-OS 34 07 574 bekannte Sekundärfederanordnung, bei der der Wagenkasten an den Drehgestellen durch eine wankwinkelabhängig geregelte Luftfederung abgestützt und nur eines der Drehgestelle über einen passiv wirkenden Wankstabilisator mit dem Wagenkasten verbunden ist, lassen sich die geschilderten Nachteile nicht wirksam beheben, denn einerseits wird das Wank-Rückstellmoment bei schneller Bogenfahrt extrem ungleich auf beide Drehgestelle verteilt und muß im wesentlichen durch Radkraftunterschiede nur eines Drehgestells kompensiert werden, was eine große quasistatische Radentlastung an den bogeninneren Rädern zu Folge hat, und andererseits wird durch den Wankstabilisator der Wagenkasten mit dem Drehgestell hinsichtlich höherfrequenter, dynamischer Wankbewegungen bei Fahrt in der Geraden so stark verkoppelt, daß dadurch der Fahrkomfort beeinträchtigt wird, mit dem zusätzlichen baulichen Nachteil, daß für den Wagenkasten zwei unterschiedlich ausgerüstete Drehgestelle erforderlich sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Schienenfahrzeug der beanspruchten Art so auszubilden, daß durch die Abfederung zwischen Wagenkasten und Fahrwerk eine sichere Begrenzung der Wagenkastenneigung auf einen vorgegebenen Wankwinkelbereich ohne Beeinträchtigung der Entgleisungssicherheit und des Fahrkomforts in der Geraden erzielt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das im Patentanspruch 1 gekennzeichnete Schienenfahrzeug gelöst.

Erfindungsgemäß wird durch die Kombination einer relativ weichen Sekundär-Federanordnung, zum Beispiel in Form einer wankwinkelabhängig geregelten Mehrpuήkt- Luftfederabstützung, mit einer im unteren Teilbereich der zulässigen Wankbewegung im wesentlichen wirkungslosen und erst darüberhinaus eingreifenden, dann aber ein steil ansteigendes Rückstellmoment erzeugenden Zusatzfeder sichergestellt, daß die dynamischen Wankbewegungen des Wagenkastens bei Fahrt in der Geraden und die Wankwinkelausschläge des Fahrwerks bei Fahrt auf verwundenem Gleis sowie bei langsamer Rampenfahrt nahezu vollständig von der Federanordnung aufgenommen werden, während die Zusatzfeder nicht anspricht, so daß selbst bei Verwendung einer verhältnismäßig steifen Primärfederung die für einen hohen Fahrkomfort erforderliche, schwingungstechnische Entkoppelung von Fahrwerk und Wagenkasten ohne Beeinträchtigung der Radkraftdynamik erreicht wird, und dennoch insbesondere bei schneller Bogen- oder Rampenfahrt der zugelassene Wankwinkel- Grenzwert infolge des dann selbsttätig wirksamen Rückstellmoments der Zusatzfeder unabhängig von der Ansprechgeschwindigkeit einer Luftfederregelung

zuverlässig und ohne eine für die Entgleisunssicherheit kritische Radentlastung eingehalten wird.

Im Hinblick auf eine weitere Verbesserung des Fahrverhaltens verläuft die Kennlinie der Zusatzfeder in dem erwähnten Arbeitsbereich geringer Wankwinkel- Ausschläge gemäß Anspruch 2 zweckmäßigerweise im wesentlichen auf der Rückstellmoment-Nullinie.

Aus Gründen einer baulich einfachen, robusten und ausfallsicheren Gestaltung der Zusatzfeder ist diese in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung gemäß Anspruch 3 als zwischen Fahrwerk und Wagenkasten wirksamer Torsionsstab mit einem begrenzten Drehspiel ausgebildet, und zwar derart, daß die an den Torsionsstabenden angeordneten, bei einer Relativneigung von Wagenkasten und Fahrwerk gegensinnig verdrehten Betätigungshebel gemäß Anspruch 4 zweckmäßigerweise über eine drehspielbehaftete Klauen- Mitnehmerkupplung mit dem Torsionsstab verbunden sind. Damit die Betätigungshebel beim Einbau der Zusatzfeder ohne umständliche Justierarbeiten in der bezüglich des Torsionsstabs lagerichtigen Drehposition montiert werden können, sind gemäß Anspruch 5 zweckmäßigerweise Zentrierfedern zur Zentrierung der Klauen- Mitnehmerkupplung auf die Drehspiel-Mittellage vorgesehen, die jedoch eine im Vergleich zu der zwischen Wagenkasten und Fahrwerk wirksamen Federanordnung vernachlässigbar kleine Federhärte besitzen.

Im Hinblick auf ein leichtgängiges Drehspiel zwischen Torsionsstab und Betätigungshebeln sind die Hebel gemäß Anspruch 6 am zugehörigen Torsionsstabende zweckmäßigerweise jeweils reibungsarm begrenzt

schwenkbar gelagert, und zwar gemäß Anspruch 7 vorzugsweise durch ein wartungsfreies Gleitlager.

Der Wankwinkelbereich, in dem der Torsionsstab außer Eingriff ist, erstreckt sich im allgemeinen nur über einen Bruchteil der maximal zugelassenen Wankwinkelausschläge, ist aber in hohem Maße abhängig von den äußeren Randbedingungen des jeweiligen Einbaufalles und daher gemäß Anspruch 8 in besonders bevorzugter Weise veränderlich einstellbar.

Ein weiterer wesentlicher Aspekt der Erfindung ergibt sich in Verbindung mit einer geregelten Luftfederanordnung mit zugeordneter No federung, die die Wagenkasten-Abstützung und Wankstabilisierung bei einem Ausfall der Luftversorgung mit einer bauartbedingt vielfach höheren Federhärte übernimmt. In diesem Fall werden die im Zusammenhang mit einer passiven Notfederung und einem zusätzlichen Wankstabilisator hinsichtlich der

Entgleisungssicherheit eingangs geschilderten Probleme gemäß Anspruch 9 dadurch auf äußerst einfache und wirksame Weise behoben, daß sämtliche, bei Fahrt auf Notfeder auftretenden Wankbewegungen innerhalb des begrenzten Drehspiels bzw. innerhalb des Bereichs vernachlässigbar kleiner Federhärte der Zusatzfeder liegen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nunmehr anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in stark schematisierter Darstellung:

Fig. 1 die Seitenansicht eines Drehgestell- Schienenfahrzeuges im Bereich eines der Fahrzeugenden;

Fig. 2 eine teilweise geschnittene Darstellung der Luft-, Zusatz- und Notfedern des Schienenfahrzeugs gemäß Fig. 1;

Fig. 3 eine als Torsionsstab ausgebildete Zusatzfeder in perspektivischer Darstellung;

Fig. 4 eine teilweise geschnittene Ansicht einer drehspielbehafteten Klauen-Mitnehmerkupplung zwischen einem Betätigungshebel und dem Torsionsstab gemäß Fig. 3;

Fig. 5 die teilweise geschnittene Aufsicht der Klauen- Mitnehmerkupplung gemäß Fig. 4; und

Fig. 6 ein Diagramm zur Darstellung der einzelnen Federkennlinien.

Bei dem in den Fig. 1 und 2 gezeigten Schienenfahrzeug sind als Fahrwerk zur AbStützung des Wagenkastens 2 zwei baugleiche, im Bereich der Wagenkastenenden angeordnete Drehgestelle 4 (von denen nur eines dargestellt ist) vorgesehen, die jeweils einen H- förmigen, aus formsteif miteinander verbundenen Längs¬ und Querträgern 6, 8 bestehenden Drehgestellrahmen 10 enthalten, an welchem die beiden starren Radsätze 12, 14 des Drehgestells 4 jeweils über Radsatzlager-Gehäuse 16 und eine in allen drei Koordinaten-Richtungen elastische Primärfederung 18 mit einer in

Vertikalrichtung relativ großen Federhärte geführt sind.

Die zwischen Wagenkasten 2 und Drehgestell 4 wirksame Sekundärfederung besteht aus einer druckgeregelten

Luftfederanordnung 20 in Form von seitlich am Drehgestellrahmen 10 zwischen der Wagenkasten- Unterseite und den Drehgestell- ängsträgem 6 angeordneten Luftfedern 22.1 und 22.2 relativ geringer Federhärte, die den Wagenkasten 2 am Drehgestellrahmen 10 abstützen und so geregelt sind, daß sie das Fußbodenniveau unabhängig von der Beladung des Wagenkastens 2 auf konstanter Höhe halten und bei einer Relativneigung von Wagenkasten 2 und Drehgestellrahmen 10 ein der Wankbewegung entgegen wirkendes

Rückstellmoment erzeugen. Der Federweg x der Luftfedern 22 gegenüber der Null-Neigungslage des Wagenkastens ist durch den maximal zulässigen Wankwinkel, bei dem der Wagenkasten 2 bis zu dem in Fig. 2 gestrichelt dargestellten Umgrenzungsprofil nach rechts oder links geneigt ist, vorgegeben. Die Luftfedern 22 sind so ausgebildet, daß sie die Ausdrehbewegungen des Drehgestells 4 z.B. um eine in der Rahmenmitte liegende Drehzapfenlagerung (nicht gezeigt) nicht behindern.

Der Federanordnung 20 ist eine Notfederung 24 zugeordnet, die aus passiv wirkenden, jeweils in die Luftfedern 22 integrierten z.B. als Hülsen- Gummielemente ausgebildeten Notfedern 24.1 und 24.2 besteht, auf denen sich der Wagenkasten 2 bei einem

Versagen der Luftfedern 22 oder der Druckluftversorgung wankwinkelbeweglich abstützt. Die Notfedern 2 .1 und 24.2 besitzen baubedingt einen wesentlich kleineren Federweg y und eine vielfach höhere Federhärte als die Luftfedern 22. Dementsprechend sind die bei Fahrt auf den Notfedern 24 auftretenden Wankbewegungen auch wesentlich geringer als die zulässigen, dem Federweg x der Luftfederung 20 entsprechenden Wankwinkelausschläge.

Parallel zur Federanordnung 20 und zur Notfederung 24 ist ferner zwischen Wagenkasten 2 und Drehgestellrahmen 10 eine passiv wirkende Zusatzfeder 26 eingebaut, die ausschließlich auf Wankbewegungen, nicht aber auf Höhenlagenänderungen des Wagenkastens 2 anspricht und deren Besonderheit in einer nicht-linearen Federkennlinie besteht, die derart verläuft, daß die Zusatzfeder 26 im fahrdynamisch optimalen Bereich geringer Wankwinkelbewegungen im wesentlichen wirkungslos ist und erst im oberen Teilbereich der zulässigen Wankwinkelausschläge ein der Wankneigung des Wagenkastens 2 entgegenwirkendes, dann allerdings steil ansteigendes Rückstellmoment erzeugt.

Wie die Fig. 3 bis 5 im einzelnen zeigen, besteht die Zusatzfeder 26 aus einem Torsionsfederstab 28, der mit Hilfe von Lagerböcken 30 quer zur Fahrtrichtung an der Wagenkasten-Unterseite um seine Längsachse drehbar gelagert ist. An jedem Ende des Torsionsstabs 28 befindet sich ein Betätigungshebel 32, dessen freies Hebelende über eine Steuerstange 34 und einen Drehzapfen 36 gelenkig mit dem Drehgestell-Längsträger 6 verbunden ist.

Damit die Rückstellwirkung des durch die Zusatzfeder 26 gebildeten Wankstabilisators erst bei höheren Wankwinkel-Ausschlägen innerhalb des Federwegs x der Luftfederung 20 einsetzt, ist eine entsprechend drehspielbehaftete Klauen-Mitnehmerkupplung 38 zwischen den Betätigungshebeln 32 und dem jeweiligen

Torsionsstabende vorgesehen. Wie die Fig. 4 und 5 im einzelnen zeigen, enthält die Kupplung 38 eine über eine KerbVerzahnung 40 drehfest mit dem Torsionsstabende verbundene Lagermuffe 42 und einen in eine stirnseitige Aussparung der Lagermuffe 42

spielfrei und formschlüssig eingreifenden, doppelarmigen Mitnehmer 44, die durch Verschraubungen 46 und eine Halteplatte 48 austauschbar am Kopfende des Torsionsstabs 28 befestigt sind. Auf der Lagermuffe 42 ist axial unverschiebbar, aber über ein Gleitlager 52 leichtgängig drehbar die Mittelnabe 50 des Betätigungshebels 32 geführt.

Zur Drehmomentenverkoppelung ist die Hebelnabe 50 stirnseitig mit Kupplungsklauen 54 versehen, die gegenüber dem Mitnehmer 44 ein dem gewünschten Drehspiel entsprechendes Flankenspiel aufweisen.

Das Dreh- oder Flankenspiel zwischen Mitnehmer 44 und Kupplungsklauen 54 wird begrenzt durch querverschieblich am Mitnehmer 44 geführte Druckstöße 56, die jeweils durch Gummifedern 58 sehr geringer Federhärte in balliger Anlage an den Klauenflanken der Hebelnabe 50 gehalten werden. Auf diese Weise wird der Betätigungshebel 32 auf die - im oberen Teil der Fig. 4 gezeigte - Drehspiel-Mittellage zentriert. Beim Verdrehen des Betätigungshebels 32 bezüglich des Torsionsstabes 28 verschieben sich die Druckstöße 56 in der zugeordneten Führungsbohrung des Mitnehmers 44, bis je nach Drehrichtung das eine oder andere Paar von diametral gegenüberliegenden Druckstößeln 56 mit ihrer Rückseite 60 am Bohrungsgrund der Mitnehmer- Führungsbohrung anschlägt und der Betätigungshebel 32 in der jeweiligen Drehrichtung nunmehr drehfest mit dem Torsionsstabende verkoppelt ist. Die Drehspiel-Endlage ist in der unteren Hälfte der Fig. 4 dargestellt. Die Größe des Drehspiels bestimmt den - abgesehen von der geringen Rückstellkraft der Gummifedern 58 - rückstellmomentenfreien Arbeitsbereich der Zusatzfeder 26 und kann entweder fest vorgegeben oder dadurch

einstellbar gestaltet werden, daß die wirksame Länge jedes Druckstößels 56 zwischen der vorderen, balligen Anlagefläche und der Rückseite 60 gemäß Fig. 4 verstellbar ist. Durch den Einbau der beschriebenen Klauen-Mitnehmerkupplung 38 läßt sich ein herkömmlicher, drehspielfreier Torsionsstab- Wankstabilisator in einfacher Weise nachträglich zu einem solchen mit Drehspiel, d.h. mit nicht-linearer Federkennlinie umrüsten.

Der qualitative Kennlinienverlauf der einzelnen Federsysteme ist aus Fig. 6 ersichtlich.

Während die Luftfederung 20 eine im gesamten zulässigen Wankwinkelbereich Z zwischen +α _z und -α _z relativ schwach geneigte Federkennlinie a besitzt, also eine hinsichtlich der Wankbewegungen weiche Verkoppelung zwischen Wagenkasten 2 und Drehgestellrahmen 10 bewirkt, verläuft die nicht-lineare Federkennlinie b der Torsions-Zusatzfeder 26 im unteren Teilbereich S geringer Wankwinkelausschläge zwischen +α _s und -αg entsprechend dem Drehspiel der Klauen-Mitnehmerkupplung 38 nahezu rückstellmomentfrei, im oberen Teilbereich größerer Wankwinkelbewegungen zwischen αg und α _z jedoch steil ansteigend, derart, daß die Zusatzfeder 26 bei

Annäherung an den maximal zulässigen Wankwinkel ±α _z ein vielfach höheres Rückstellmoment R als die Luftfederung 20 erzeugt. Die Notfedern 24 besitzen eine noch höhere Federhärte, gelangen aber bei Fahrt auf Luftfederung nicht in Eingriff, wie dies in Fig. 6 durch die Notfeder- Kennlinie c angedeutet ist.

Im unteren Wankwinkelbereich S befinden sich die dynamischen Wankbewegungen des Wagenkastens 2 bei Fahrt in der Geraden, die Wankbewegungen des Drehgestells 4

bei Fahrt auf verwundenem Gleis sowie die Drehgestellneigung bei langsamer Rampenfahrt. In diesem Bereich S werden die den Wankbewegungen entgegenwirkenden Rückstellmomente R nahezu ausschließlich durch die relativ weiche Luftfederanordnung 20 erzeugt.

Der Eingriffsbereich der Zusatzfeder 26 zwischen S und Z wird bei schneller Bogen- und Rampenfahrt auf Luftfederung erreicht. Dabei wird der Wankwinkel α durch die gemeinsame Rückstellwirkung von Luftfederung 20 und vielfach härterer Zusatzfeder 26 wirksam auf den maximal zulässigen Wert α _z begrenzt, wobei die Ansprechzeit der Luftfederregelung ohne Belang und der Luftverbrauch minimal ist.

Bei einem Luftfederausfall kommen die Notfedern 24 entsprechend der Federkennlinie c ¹ zum Einsatz und begrenzen dabei die Wankwinkelbewegungen des Wagenkastens 2 auf einen Bereich N, der innerhalb des im wesentlichen rückstellmomentenfreien Teilbereichs S der Zusatzfeder-Kennlinie b liegt, so daß der Torsionsfederstab 28 bei Fahrt auf Notfedern kein zusätzliches Rückstellmoment R liefert und die Entgleisungssicherheit daher nicht beeinträchtigt wird.