Bertie's Stomepage / Twee assige wagen voor 5" spoor

Bertie's Stomepage / Four wheel driving truck for 5" gauge track

Deze pagina gaat over de technische aspecten van het wiel en spoorstaaf contactvlak, en hoe deze dynamica is te gebruiken om een simpel radiaal zelfsturend een-assig draaistel te maken. Het is geen zwaar technisch verhaal maar gewoon een luchtige uiteenzetting van deze materie. Het begon allemaal met de constatering dat mijn 5" bedienwagen duidelijk zwaarder over de rails liep dan bijvoorbeeld wagens van collega stoomfanaten. Dit zwaarder lopen uitte zich in veel wiel slip van mijn 3.5" Virginia zodra de rails nat of vettig werden, met als gevolg een beperkte effectieve trekkracht. Met een goede bedienwagen is het mogelijk om twee volwassenen en een kind voort te slepen met de Virginia. Waarom liep de oude bedienwagen zo zwaar ondanks de toepassing van kogellagers? Na grondige bestudering van de materie zag ik flink wat grote afwijkingen met de andere wagens; de kleine aluminium wielen, geen radius tussen loopvlak en flens, geen sturende assen, en nog wat meer fouten.... Nadat de nieuw verworven kennis was omgezet in nieuwe onderdelen reed de wagen zoals gewenst. Maar voordat we zover zijn eerst de theorie.

Korte twee-assige wagons lopen soepel door bogen, maar gaan nogal slingeren op de rechte stukken vanwege deze korte wielbasis. De oplossing bij de spoorwegen is de toepassing van draaistellen, dit geeft als voordeel dat de wagons langer kunnen worden om slingeren te voorkomen gecombineerd met de goede loop eigenschappen door bogen heen vanwege de korte wielbasis van de draaistellen. De keerzijde is dat er veel materiaal nodig is voor het te fabriceren en onderhouden. Daarom zijn er nu onderzoeken gestart bij de spoorwegen om hetzelfde effect te krijgen met draaistellen slechts voorzien van 1 wielstel. Het sturen van deze draaistellen wordt of door de wielgeometrie (conisch loopvlak) verzorgd, of door dynamische systemen hydraulische bekrachtigd.

On this page I try to explain the interaction between the flanged wheel and rail, and how to use this knowledge to build a simple self steering single axle radial bogie. It is not going to be very scientific just a clear summery of this topic. It all started when I noticed that my 5" riding truck was running much heavier than trucks made and used by my fellow live steamers. This heavy pull caused my 3.5" Virginia to slip as soon as the rails became wet (oil, water, ..), and this resulted in poor hauling properties. On a decent truck it is possible to haul two adults and one child along our club track with the Virginia. Why did my truck cause so much friction despite the use of large ball bearings? After studying the design I noticed quite some design deviations; small aluminum wheels, no radius between the flange and tread, fixed shafts, to name a few. After materializing the newly acquired knowledge the truck ran as hoped for. But before we come to that lets get to the theoretical part of it.

Short four wheeled wagons negotiate curves quite easy, however on straight sections of the track they tend to oscillate due to the short wheel base (called hunting). The solution for the real railways was to use four wheeled bogies at each end of the wagons, the bonus is allow the use of long wagons combined with good riding properties on straight and curved track. The downside is the additional parts to be made and maintained. Because of this some initiatives are started to develop a self steering single-axle bogie. Steering of these bogies is controlled by the wheel geometry (cone shaped tread) or powered by hydraulic servos.

Auf dieser Seite versuche ich die Dynamik zwischen das Rad und Schiene zu erklären, und wie man dieses Wissen verwenden kann um ein einfaches Einachsig-Radialen-Drehgestell zu bauen. Es wird kein schweres wissenschaftliches stuck, sondern eine klare Beschreibung zu diesem Thema. Es fang alles an wenn ich bemerkte das meine 5 Zoll bedienwagen schwerer rollte im Vergleich mit den Wagen meinen Kollegen Echt-Dampfer. Dies führte zu schweren Rad schleudern meiner 3,5 Zoll Virginia Lokomotive so bald die Schienen fettig werden (Öl, Wasser, ..), und führt damit zu einer stark reduzierten Zugkraft. Mit einer anständigen Mitfahrwagen ist es möglich mit die Virginia zwei Erwachsene und ein Kind über unserer Verein Strecke ziehen. Warum erzeugt mein Bedienwagen so viel Reibung trotz der Verwendung von großen Kugellagern? Nach eine Studium der Entwurf-Aspekte bemerkte ich einige Abweichungen, kleine Alu-Räder, keinen Radius zwischen dem Flansch und Lauffläche, feste Wellen, um nur einige zu erwähnen. Nach Änderungen am Wagen mit den neu erworbenen Kenntnissen rollte die Wagen wie gewünscht. Aber bevor wir dazu kommen, erst die Theorie.

Kurze zweiachsige Wagen laufen recht ohne Mühe oder fiel Reibung durch eine Kurve, aber auf geraden Strecken neigen sie dazu von links nach rechts zu schwanken wegen des kurzen Radstands. Die Lösung für die Groß bahn sind zweiachsigen Drehgestelle an jedem Ende des Waggons zu verwenden, der Bonus sind guten Fahreigenschaften auf geraden und gebogenen Spur kombiniert. Der Nachteil ist die viele zusätzlichen Teile und Wartung. Aus diesem Grund sind einige Initiativen gestartet beim Groß bahnen um ein Einachsig–Radialen-Drehgestell zu entwickeln. Das Lenken der Drehgestelle wird vom Rader selbst gesteuert (kegelförmigen Laufflächen) oder unterstützt durch dynamische hydraulische Systeme.

	De wagonwielen hebben een conisch loopvlak en tevens zijn de tegenover elkaar staande wielen met een as star verbonden. Deze as zorgt ervoor dat deze wielen even snel ronddraaien. Dit heeft tot gevolg dat afhankelijk waar het wiel de railstaaf raakt een bepaalde afstand wordt afgelegd per wiel. In de tekeningen hiernaast is duidelijk te zien wat de gevolgen zijn als het wielstel naar links of rechts beweegt, de effectieve diameter van de wielen veranderen als functie van de zijdelinkse afwijking. Flanged wheels used on railways have coned or tapered runways (the treads) also the two mating wheels are fixed together on one shaft. This shaft permits the wheels to rotate at the same speed. As a result the distance covered by one revolution is controlled by the location were the wheels tread interfaces with the railhead. The sketches to the left shows what the consequences are when the coupled wheels are displaced to the left or right of the tracks' centerline, the actual effective diameter of the wheels changes as function of this lateral displacement. Die Waggonräder haben konische oder kegelförmigen Lauffläche auch sind die gegenüberliegenden Räder mit einer Welle mit einander verbunden. Mit dieser Welle wird sichergestellt dass diese Räder mit dieselbe Umdrehungszahl drehen. Dies bedeutet dass je nachdem wo das Rad die Schiene berührt eine gewisse Distanz pro Rad Umdrehung zurückgelegt wird. Die nebenstehenden Abbildungen zeigen deutlich was die Folgen sind wen die Achse sich nach links oder rechts bewegt, der effektiver Durchmesser vom Rad ändert sich in Abhängigkeit von der Seitlichen Abweichung. (picture source shevtsov_thesis.pdf & THE EFFECT OF LINEMATIC OSCILLATIONS ON HARMONIC WHEEL FLANGE WEAR OF RAIL VEHICLES)
	De bewegende beelden hiernaast laten duidelijk zien hoe het een en ander werkt. Het wielstel probeert een middenstand te vinden bij het rijden op een recht spoor. Als gevolg van snelheid, wrijving, massatraagheid en demping zal de zijdelingse beweging sinus-vormig zijn met een bepaalde golflengte. Soms kan het zijn dat door het heen en weer slingeren de krachten zo groot worden dat het wielstel uit de rails springt. Gelukkig is dit goed te voorkomen met de juiste verhoudingen de kiezen in de constructie. Als dit wielstel door een boog gaat lopen zal het proberen om deze radiaal te doen met als bonus weinig weerstand. The moving images on the left clearly visualize how it works. The wheel set tries to centre when running over a straight piece of track. Due to speed, friction, inertia and damping the wavelength of this sinusoid movement will have a certain length. There is a risk of the wheels jumping of the rails due to heavy vibrations (short wavelengths). Lucky for the train travelers this can be eliminated by choosing the proper relations for that typical bogie design. When this wheel set is running through a curve it will try to this radial with a limit of friction or drag. Die bewegenden Bilder auf der linken Seite zeigen deutlich wie das alles funktioniert. Der Radsatz versucht der mittlere Position zu finden beim Fahren auf einer geraden Strecke. Als Folge der Geschwindigkeit, Reibung, Trägheit und Dämpfung gelangt der Radsatz in einen Sinus förmige Bewegung mit einer bestimmten Wellenlänge. Es ist durchaus möglich dass die Kräfte der Schwingung so groß werden dass der Radsatz aus den Schienen springen kann. Glücklicherweise kann dies leicht durch die Wahl der richtigen Proportionen von der Drehgestell Konstruktion beseitigt werden. Wenn dieser Radsatz durch eine Kurve läuft, wird er es in einer radialen Position versuchen um die Reibung so klein wie möglich zu behalten. (picture source http://en.wikipedia.org/wiki/File:Hunting_oscillation_section_ja_150px.gif & http://en.wikipedia.org/wiki/File:Hunting_oscillation_plan_ja_150px.gif)
	Met bovenstaande gegevens heb ik mijn bedienwagen omgebouwd. De foto links laat het totaal overzicht zien, aan de linker kant het trekwerk en de bouten voor de voetsteun mee te bevestigen. Aan de rechterkant zitten de rode eindbuffers om op een robuuste manier de achterop rijdende treinen te stoppen bij noodgevallen. While using the knowledge mentioned above I re-designed my driving truck. This picture shows a general view of the truck, to the left you see the connection arrangement to the locomotive and the bolds for securing the feet support . To the right the red oversized end buffers to stop run-away trains riding behind me in a solid manner. Mit den oben genannten Kenntnissen habe ich meine Bedienwagen erneut gestaltet. Dieses Bild zeigt einen Überblick vom Wagen mit an der linken Seite die Verbindung zur Lokomotive und die Schrauben für den Bügel zum Unterstützung der Beine. Auf der rechten Seite sehen sie die beiden roten überdimensionierten Puffer zum Anhalten von Zügen hinter mir in Notfällen.
	Dit is een detail foto van de lagering, duidelijk is te zien dat de lagers zich binnen de wielen bevinden in plaats van aan de buitenkant. Dit heeft twee redenen, de totale breedte van het gelagerde wielstel is kleiner en doordat de lagers zich binnen de spoorbreedte bevinden kan er door ongelijke belasting nooit een wiel worden opgetild. De binnenring van het kogellager zit vast op de as, de buitenring kan een paar millimeter in de lengte richting van de wagen bewegen. De buitenring rolt dan tegen de onderkant van de brug. De foto is genomen met de blauwe zitplank weggenomen, deze plank rust op de rubberen buffers zodat er sprake is van vering/demping/compensatie. De schroef is de vaste aanslag die de maximale veerweg bepaald. This picture shows the bearing assembly, the bearings are positioned between the wheels instead of on the outside near the shaft ends. Two arguments for this, the total width for the wheel set is reduced and because the bearings are located between the wheels an uneven load will not cause one of the wheels to be lifted. The ball bearing inner race is fixed on the axle, the outer race can travel several millimeters in longitudinal direction of the truck. This outer race rolls for that purpose along the underside of the bridge. For clarity the picture is taken with the blue seat removed, this seat rests on the rubber buffers so some kind of springing/damping/compensation is incorporated in the design. The screw is the end stop to control the maximum compression of the buffers. Dies ist ein Detail Bild der Lageranordnung, ist es deutlich zu sehen, dass die Lagern zwischen die Räder befinden und nicht an die Außenseite. Dafür gibt es zwei Gründe, die gesamte Breite des Radsatzes ist kleiner und weil die Lager innerhalb die Rader befinden werd kann eine ungleichmäßige Belastung kein Rad aufgehoben werden. Der Innenring des Lagers ist auf der Welle fixiert, den äußeren Ring kann einigen Millimeter in der Längsrichtung der Wagen bewegen. Dieser Außenring Rollt für diesen Zweck an die Unterseite der Brücke. Für ein klares Blickfeld ist das Bild mit dem blauen Sitzplatte entfernt gemacht, dieser Sitzplatte liegt auf der Gummipuffer so dass es eine arte von Feder / Dämpfungssystem / Egalisierung erreicht ist. Die Schraube ist der Anschlag um die Kompression der Federn zu begrenzen.
	De paar millimeter verplaatsing die de lagers kunnen maken het mogelijk dat de assen kunnen sturen zodat de wielstellen de boog radiaal kunnen doorlopen. Dit sturen wordt veroorzaakt door de conische loopvlakken van de wielen zoals hierboven omschreven. The few millimeters displacement of the bearings allow the wheel sets to steer so they can take a radial position when running through a curve. This steering capability of the wheel set is a result of the conic shaped treads. Die wenige Millimeter Verschiebung der Lager ermöglichen es die Radsätze zu steuern, so dass sie eine radiale Position Beim Durchlaufen einer Kurve ermöglicht. Diese Fähigkeit der Radsatz wird durch die konische laufflachen auf die Rader wie oben beschrieben verursacht.
	Omdat de gekozen lagering geen dwarskrachten kan opvangen vanwege de vele bewegingsvrijheden die de lagers hebben worden de dwarskrachten op het uiteinde van de assen opgevangen. Dit einde is voorzien van een stompe punt om de wrijving te verkleinen. Op deze foto is ook duidelijk het conische loopvlak van de wielen te zien. Because this bearing arrangement is not capable of supporting the lateral forces the truck is exerting on them due to the many degrees of freedom, this is done at the shafts ends. These are machined into a blunt end to reduce friction. This picture also shows the conic shape of the wheel tread. Da diese Lagerung keine Unterstützung der Querkräfte des Wagens bietet wegen die vielen Freiheitsgraden werden diese Kräfte am Wellenenden weitergeleitet. Diesen Enden haben eine stumpfe Spitze bekommen, um die Reibung zu reduzieren. In diesem Bild ist auch eindeutig die konische Lauffläche der Räder zu sehen.
	De test, of klopte de theorie wel. De oude uitvoering van de bedienwagen zorgde voor slippende wielen, ook op droge rails. De eerste mogelijkheid om te testen was tijdens de SGZ Winterrijdag. Zoals te zien was de baan roestig en nat en dus glibberig. Het resultaat was dat er goed gereden kon worden met de Virginia, ook onder deze zware omstandigheden. Nu vraag ik me af of dit nu komt door de sturende assen, de grote wielen of de stalen wielbanden. Afijn, de bedienwagen loopt mooi en soepel. Nu nog even een rem toevoegen en de wagen is klaar. The test, or better did the theory map with reality. The old driving truck caused a lot of wheel slip, even on dry track. The first opportunity to do this test was during our annual Winter steam-up. The track was very wet and rusty, a perfect recipe for slippery rails. The conclusion was that even under this conditions the Virginia had no problems anymore to pull my around at a decent speed. Now I wonder what did the trick, the radial self steering wheel sets, de enlarged wheel diameter, the steel wheel rims, or just the radius between the wheel tread and the flange. Nevertheless, the driving truck does run very freely. Now I only have to add a brake and the truck is finished. Der Test, oder besser ist die Theorie gleich mit der Realität. Der alte Bedienwagen verursacht eine Menge schleudern der Virginia Räder, sogar auf eine trockener Strecke. Die erste Gelegenheit den neuen Wagen zu testen, gab es während unsere SGZ Winterdampftag. Wie Sie sehen können war die Strecke nass und rostig, ein perfektes Rezept für eine rutschige Bahn. Das Ergebnis war, es könne auch mit die Virginia gefahren werden auch unter diesen schwierigen Bedingungen. Jetzt frage ich mich was war den Trick, den Radial-Steuerung de Radsätzen, die großen Stahl-Räder, oder einfach nur den Radius Zwischen die Laufflächen und den Flanschen. Jedenfalls läuft der bedienwagen schön und braucht viel weniger kraft als der alte wagen. Jetzt muss ich nur noch eine Bremse machen und der bedienwagen ist fertig. (picture made by Erik-Jan)