mini|Hauptbauteile eines Drehgestells älterer Bauart mit Wiege mini|Modernes Drehgestell ohne Wiege und mit Gas-Federn (Sekundärfederung) zwischen Wagenkasten und Drehgestellrahmen, die radiale Bewegungen zwischen ihren Enden ermöglichen(Triebwagen, ČD-Reihe 440) Ein Drehgestell ist ein Laufwerk eines Schienenfahrzeugs, in dem die Radsätze nicht direkt am Wagenkasten, sondern in einem um die Vertikalachse drehbaren Rahmen gelagert sind. Diese Bauweise verbessert die Fahrt in Bögen und ermöglicht eine gleichmäßigere Lastverteilung auf die Schienen.
Schienenfahrzeuge, die mit Drehgestellen ausgestattet sind, werden als Drehgestellfahrzeuge bezeichnet. Bei ihnen ruht der Wagenkasten auf zwei oder mehrere Drehgestellen. Im Gegensatz dazu spricht man von einrahmigen Fahrzeugen oder Einrahmenfahrzeugen, wenn sämtliche Radsätze in einem einzigen, starren Rahmen gelagert sind.
Ein wesentlicher Grund für den Einsatz von Drehgestellen bei Schienenfahrzeugen liegt im vergleichsweise geringen Achsabstand innerhalb eines Drehgestells gegenüber einem langen Wagenkasten mit starr gelagerten Radsätzen. Die Konstruktion ermöglicht das Befahren enger Gleisbögen, da sich die Drehgestelle um ihre Vertikalachse ausschwenken können, was auch als ausdrehen bezeichnet wird. Obwohl die Räder dabei weiterhin in einem Winkel zur Schiene laufen, ist dieser deutlich geringer als bei Fahrzeugen ohne Drehgestelle, was den Verschleiß reduziert und die Spurführung verbessert.
Die Verwendung mehrerer Radsätze in Drehgestellen erhöht zudem die Tragfähigkeit des Fahrzeugs. Darüber hinaus tragen Drehgestelle zur Verbesserung des Fahrkomforts bei weil Stöße vom Gleis nur auf einen Radsatz innerhalb des Drehgestells wirken, so dass sie nur gedämpft auf den Wagenkasten übertragen werden.
Drehgestelle werden in unterschiedlichen Bauformen ausgeführt, abhängig von ihrem Einsatzzweck. Neben der Anzahl der vorhandenen Radsätze unterscheidet man insbesondere zwischen Drehgestellen für Lokomotiven, Güterwagen und Reisezugwagen. Diese Fahrzeugtypen stellen jeweils spezifische Anforderungen an die Konstruktion hinsichtlich Tragfähigkeit, zulässiger Geschwindigkeit und Fahrkomfort.
Bei Hängebahnen wird das Drehgestell auch als Fahrgestell bezeichnet.
Vorteile Drehgestellfahrzeuge haben in der Regel eine höhere Tragfähigkeit als zweiachsige Wagen.
Drehgestellfahrzeuge haben gegenüber drei- oder mehrachsigen Fahrzeugen (oft mit sogenannten freien Lenkachsen) folgende Vorteile:
besseres Laufverhalten in Bögen Reduzierung der vertikalen und horizontalen Störungen durch das Gleis Möglichkeit des Einbaus einer mehrstufigen Federung Eignung für Fahrzeuge mit hohen Geschwindigkeiten und hohem Fahrkomfort Höhere Entgleisungssicherheit Geringerer Spurkranzverschleiß wegen des kleineren Anlaufwinkels und der geringeren Richtkräfte
Aufbau
Übersicht Ein Drehgestell besteht aus einem Drehgestellrahmen, der auf den Radsätzen elastisch und gedämpft abgestützt ist. Auf dem Rahmen stützt sich – meistens auch elastisch und gedämpft – der Wagenkasten anteilig ab. Bei angetriebenen Drehgestellen (Triebdrehgestellen) trägt der Rahmen meist auch den oder mehrere Fahrmotoren und die nachgeschalteten Getriebe.
800px|zentriert|Aufbau eines älteren Reisezugwagen-Drehgestells Teile eines älteren Reisezugwagen-Drehgestells:1: Bremsklotzträger mit Bremsklotz • 2: Primärfeder • 3: Seitliche Abstützung für den Wagenkasten • 4: Drehpfanne5: Rahmen • 6: Radsatzlager • 7: Sekundärfeder • 8: Sekundärdämpfer • 9: Rahmen-Boden • 10: Wiege
Rahmen Der Drehgestellrahmen (oder kurz Rahmen) trägt in der Regel alle anderen Hauptkomponenten eines Drehgestells. Infolgedessen ist er einer Beanspruchung durch Kräfte aus allen drei Raumrichtungen ausgesetzt. Neben der Nutzlast wirken auf den Drehgestellrahmen auch beispielsweise horizontale Führungskräfte quer zur Fahrtrichtung sowie Zug- und Bremskräfte in Fahrtrichtung. Für die Auslegung des Drehgestellrahmens hinsichtlich seiner Festigkeit sind heute verschiedene Lastfälle normativ definiert.Norm DIN EN 15827:2011-06 Bahnanwendungen – Anforderungen für Drehgestelle und Fahrwerke
Im Laufe der Zeit wurden zahlreiche Bauweisen von Drehgestellrahmen entwickelt und eingesetzt. In der Regel bestehen sie aus zwei über den Radsatzlagern verlaufenden Langträgern und einem oder mehreren Querträgern. Die mittigen Querträger fungieren als Trägerelemente für die Wagenkastenanlenkung und Wagenkastenabstützung sowie für die Motoraufhängung bei Triebdrehgestellen. Drehgestellrahmen mit Querträgern an den Enden der Langträger (sogenannte Kopfquerträger oder Kopfträger) werden als geschlossene Drehgestellrahmen oder O-Rahmen, Drehgestellrahmen ohne Kopfquerträger als offene Drehgestellrahmen oder H-Rahmen bezeichnet. Der Einsatz geschlossener Drehgestellrahmen bieten den Vorteil, dass an den Kopfquerträgern weitere Drehgestellkomponenten wie beispielsweise Teile der Bremsausrüstung, Antennen für Zugbeeinflussungssysteme, Zug-/Druckstangen oder in der Vergangenheit die Zug- und Stoßeinrichtung, angebracht werden können. Der Vorteil offener Drehgestellrahmen besteht in der leichteren Verwindbarkeit der Langträger gegeneinander sowie im Allgemeinen einer geringeren Eigenmasse. Geschlossene Drehgestellrahmen werden häufig bei Drehgestellen von Lokomotiven und Steuerwagen eingesetzt, während offene Drehgestellrahmen bei Triebwagen und Reisezugwagen zum Einsatz kommen. Weiterhin wird zwischen Außenrahmen mit außerhalb der Räder liegenden Radsatzlagern und Innenrahmen mit innerhalb der Räder liegenden Radsatzlagern unterschieden.
Der Drehgestellrahmen ist heute meist eine geschweißte Stahlkonstruktion, zum Teil enthält er auch Gussteile oder ist als Ganzes gegossen. Die Träger werden als geschlossene Hohlkasten, I-Profil oder auch als Rohr ausgeführt. Früher wurden auch genietete Rahmen verwendet. Selten wurden die Drehgestellrahmen als Blechrahmen ausgeführt, welche hauptsächlich aus zwei hohen Rahmenwangen sowie mehreren Querträgern bestanden und neben den Radsätzen die Zug- und Stoßeinrichtung sowie die Vorbauten des Fahrzeugs tragen konnten, so beispielsweise bei der DR-Baureihe E 94.
Am Drehgestell befinden sich in der Regel geeignete Anhebepunkte, mit denen ein entgleistes Drehgestell wieder aufgegleist werden kann.
Radsatzlager
Die Radsatzlager dienen der Dreh-Lagerung des Radsatzes. Sie sind über die Radsatzlagergehäuse, die Radsatzlagerführung (vertikal), die Primärfedern und ggf. Schwingungsdämpfer mit dem Drehgestellrahmen verbunden.
Sie befinden sich meist außerhalb der Radscheiben (sogenanntes außengelagertes Drehgestell), wo sie für die Wartung leicht zugänglich sind, seltener zwischen den Radscheiben (sogenanntes innengelagertes Drehgestell). Letzteres war insbesondere bei Laufdrehgestelle älterer Lokomotiven üblich, um den Raum außerhalb der Radscheiben für den Stangenantrieb nutzen zu können. Auch bei Straßenbahnwagen mit begrenzter Wagenbreite (aber relativ großer Spurweite) sind sie weit verbreitet.
Die meisten europäischen Güterwagendrehgestelle haben einen Abstand zwischen zwei Radsätzen (kurz Radsatzabstand) zwischen 1,8 und 2,3 Metern. Drehgestelle für schnellfahrende Fahrzeuge haben Radsatzabstände von bis zu 3 Metern, um eine größere Laufruhe zu erreichen.
Federung mini|Drehgestell mit Primärfederung (zwischen Radsätzen und Drehgestell-Rahmen) und Sekundärfederung (zwischen Rahmen und Wiege) Zur Verbesserung des Fahrkomforts gegenüber vom Gleis ausgehenden Stößen, und um Verwindungen des Gleises infolge Verwerfungen im Gleisbett befahren zu können, sind die Fahrzeuge gefedert, wobei sowohl die Radsätze gegenüber dem Drehgestellrahmen (Primärfederung) als auch der Drehgestellrahmen gegenüber dem Wagenkasten (Sekundärfederung) gefedert sein können. Bei Güterwagendrehgestellen ist in der Regel nur eine der genannten Federungen, bei Reisezugwagen- und Lokomotivdrehgestellen sind in der Regel beide Federstufen in Reihenschaltung vorhanden.
Primärfederung Der Drehgestellrahmen stützt sich über die Primärfedern auf die Radsatzlagergehäuse ab. Früher wurden Blattfedern, heute meist Schraubendruckfedern oder Gummischicht-Federn verwendet.
Die Radsatzlagergehäuse werden entweder in Gabeln (Radsatzhalter, gleitend), mittels Lenkern (Radsatzlenker oder in einem Dreh-Gelenkviereck) am Rahmen vertikal geführt. Lenker werden insbesondere bei Triebfahrzeugen und in Lemniskatenlenker-Anordnungen angewendet. Anstatt der in einem Radsatzhalter über einen langen Weg gleitenden Führungen mit Reibungsverschleiß werden auch reibungsfreie (nur innere Reibung) Blattfedergeradführungen angewendet.
Sekundärfederung In älteren Reisezugwagen stützte sich der Wagenkasten zuerst auf einem Querbalken (die sogenannte Wiege) und dann erst der Querbalken über Federn auf dem Drehgestell ab. Die Wiege zählte zu den gefederten Massen (gegenüber dem ebenfalls gefederten Wagenkasten vertikal unbeweglich), und die Dreh-Lagerung zwischen Wagenkasten und Drehgestell konnte konventionell, d. h. wie üblich mit einer axialen Lagerung ergänzt werden.
Für die Sekundärfederung wurden früher meist Blattfedern verwendet. Heute wird die Sekundärfederung bei Reisezugwagen in der Regel mit Schraubenfedern (gleich wie die Primärfederung) oder mit Luftfedern ausgeführt, bei Lokomotivdrehgestellen ausschließlich mit Schraubenfedern. Güterwagendrehgestelle haben in Europa in der Regel keine Sekundärfederung.
Bei modernen Reisezugwagen wird die Wiege (400 bis 700 kg Masse) weggelassen und die sogenannte Flexicoil-Federung als Sekundärfederung angewendet.Rainer Kratochwille: Zum Nutzen schaltbarer Schlingerdämpfer in Trassierungselementen mit veränderlicher Gleiskrümmung. Flexicoil-Konstruktion, Seite 22: Eine Fahrwerkkonstruktionsform, bei der die Sekundärfederelemente sowohl die Kastenabstützung als auch das Ausdrehen ... übernehmen. Die vertikal belasteten und vertikal nachgebenden Schraubenfedern stellen sich bei der Auslenkung des Drehgestells zusätzlich S-förmig oder schräg ein. Gelegentlich innen angebrachte Stützen (je eine halblange, oben und unten an den Gegenstücken der Feder fixiert) verhindern, dass die Federn bei vertikaler Belastung in Schräglage ausknicken.Lok Maxima der Saechsischen Waggonfabrik: Abbildung einer Flexicoil-Federung mit Stützen innerhalb der Schraubenfeder Die Federn machen die geringe Drehung (Größenordnung 5°) des Drehgestells mit, sodass auf die Zwischenschaltung einer Wiege verzichtet werden kann.
Die teureren Luftfedern lassen sich radial ebenfalls zusätzlich elastisch verformen und werden insbesondere bei komfortablen Reisezugwagen anstatt der preiswerteren Flexicoil-Schraubenfedern eingesetzt.
Verbindung zwischen Wagenkasten und Drehgestell Damit das Drehgestellfahrzeug Gleisbögen befahren kann, müssen sich die Drehgestelle gegenüber dem Wagenkasten ausdrehen können, d. h. es muss um die vertikale Achse (»Gierachse«) drehbar ausgeführt sein. Zusätzlich muss es auch um die Fahrzeugquer- und -längsachse beweglich ausgeführt sein, um Änderungen in der Gleistrassierung (z. B. Steigungswechsel oder Gleisüberhöhung) sowie Gleisunebenheiten ausgleichen zu können. Zur Reduzierung der Querkräfte wird die Verbindung heute in der Regel querbeweglich gegenüber dem Wagenkasten ausgeführt. Rückstellvorrichtungen und Drehhemmungen dienen dem ruhigen Lauf des Fahrzeugs.
In der eisenbahntechnischen Praxis wird die Verbindung zwischen Drehgestell und Wagenkasten entsprechend der übertragenen Kraftkomponenten wie folgt getrennt behandelt:
Wagenkastenanlenkung Wagenkastenabstützung
Konstruktiv kann die Wagenkastenanlenkung mit der Wagenkastenabstützung auch eine Einheit bilden. Bei Triebfahrzeugen ist heute aber die konstruktive Trennung von Wagenkastenabstützung und Wagenkastenanlenkung üblich.
Wagenkastenanlenkung Als Wagenkastenanlenkung wird die Übertragung der horizontalen Kräfte (radiale Lagerkräfte) zwischen Drehgestell und Wagenkasten und die dafür verwendeten Mittel bezeichnet.