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Hydropneumatische Federung
Die Erfindung betrifft eine hydropneumatische Federung mit einem in einem Zylinder axial ver- schiebbaren, die Last aufnehmenden Kolben, der von einer an einen Windkessel angeschlossenen Druck- flüssigkeit beaufschlagt ist, wobei für die Niveauregelung des Kolbens gegenüber dem Zylinder je ein
Zulauf- und ein Ablaufventil für die von einer Umlaufpumpe geförderte Druckflüssigkeit vorgesehen ist, welche Ventile durch Anschläge am Kolben betätigbar sind. Die Erfindung zielt darauf ab, eine solche Federung insbesondere für Waggons besonders auszubilden.
Die wichtigsten, an solche Federungen gestellten Forderungen sind folgende :
Die Federung soll hinreichend weich sein, um auch bei den kleinsten vorkommenden Belastungen anzusprechen. Es ist dabei vorteilhaft, wenn die spezifische Senkung auch bei kleinen Einbauabmessungen ausreichend gross ist. Die Werkstoffausnutzung der Federung soll in wirtschaftlicher Hinsicht und auch hinsichtlich der Raumausnutzung günstig sein. Bei niedrigen und hohen Frequenzen ist eine gleich wirkungsvolle und gute Raumausnutzung nötig. Es wird von der Feder sowohl bei kleinen als auch bei grossen Belastungen eine gute Federung verlangt. Die Feder soll eine progressive Kennlinie haben, d. h. zu kleinen Belastungen sollen grosse Längen3nderungen, zu grossen Belastungen kleine Längenänderungen gehören.
Die Feder soll Hysterese haben, d. h. bei Belastung soll ein Teil der bei der Belastung zugeführten Arbeit verlorengehen. Die Höhe der Mittellinie der Schwingung soll bei jeder Belastung die gleiche sein und die Höhe der Mittellinie sollte möglichst automatisch nachstellbar sein. Die Eigenfrequenz des Federschwingungssystems soll konstant bzw. nahe konstant sein.
Von den bei Schienenfahrzeugen verwendeten Federungen werden noch weitere Eigenschaften verlangt. So muss die Federung vollständig betriebssicher und auch ohne bedeutende Wartung von langer Lebensdauer sein. Sie soll sowohl senkrecht als auch in Längs- und Querrichtung hohe dynamische Belastungen aufnehmen können. Entsprechend den Gegebenheiten im Eisenbahnwesen ist eine grosse spezifische Senkung nötig und die durch den Federmechanismus zu sichernde Eigenfrequenz sollte 1 Hz oder weniger betragen. Eine Dämpfung ist nur im Resonanzbereich nötig. Bei höheren Geschwindigkeiten ist die Lage des Fahrzeuges umso günstiger, je kleiner die Dämpfung ist. In der Kurve soll die Federung das Neigen des Wagenkastens nach aussen verhindern. Schliesslich soll die Federung grosse Belastungsänderungen kompensieren können.
Die erwähnten Forderungen werden am besten von Fahrgestellen mit hydropneumatischer Federung erfüllt, aber auch die bekannten hydropneumatischen Federungenhaben die gestellten Forderungen nicht in vollem Masse erfüllt, weil es nicht gelungen ist, die aneinander gleitenden Zylinder- und Kolbenflächen so zu gestalten und zu bearbeiten, dass die Verbindung zwischen den beiden Flächen eine entsprechende Abdichtung und Geradführung gewährleistet.
Von den hydropneumatischen Federungen hat sich die mit aus zwei Teilen von unterschiedlichen Innendurchmesser bestehenden Hydraulikzylinder und mit dem darin verschiebbaren, aus zwei Teilen von unterschiedlichem Aussendurchmesser bestehenden Hohlkolben ausgebildete Ausführung am meisten bewährt. Bei diesem System kommen die in die Mantelfläche des Zylinders und des Kolbens gebohrten Bohrungen zur Deckung, so dass das Öl ein- bzw. austreten kann.
Diese Lösung ist nachteilig, weil sowohl die Bearbeitung des Doppelzylinders als auch die des hohl
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ausgebildeten Doppelkolbens umständlich ist. Die beiden konzentrischen Flächen unterschiedlichen
Durchmessers können schwer ausreichend genau eingepasst werden. Der auftretende Verschleiss führt zur
Beschädigung der Steuerung, deren Reparatur nur durch Austauschen des vollständigen Zylinders und des vollständigen Kolbens gegen einen neuen, durch mühevolle und kostspielige Reparaturarbeit und durch
Aus- bzw. Wiedereinbau durchführbar ist. Während der Aus- und Einbauarbeiten ist das Fahrzeug ausser
Betrieb.
Die Erfindung verfolgt nun den Zweck, zur elastischen Aufhängung von Fahrzeugen, hauptsächlich von Schienenfahrzeugen, eine solche hydropneumatische Federung der eingangs erwähnten, bei Kraftfahrzeugen gebräuchlichen Art zu schaffen, bei der die Belastungskräfte weich federnd übertragen und deren Bauteile auch nach langer Betriebszeit nicht schadhaft werden.
Gemäss der Erfindung wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, dass der Kolben in seinem Inneren mit einem ringförmigen, wulstartigen Vorsprung versehen ist und dass die das Zulauf- bzw. das Ablaufventil betätigenden Ventilstangen Anschlagscheiben tragen, welche sich in den Endlagen des Kolbens gegen den ringförmigen Vorsprung legen.
Die Erfindung ist nachstehend in ihren Einzelheiten im Zusammenhang mit dem in der Zeichnung skizzierten Ausführungsbeispiel näher erläutert.
Im Zylinder 1 der hydropneumatischen Federung nach der Erfindung ist ein Kolben 2 axial verschiebbar angeordnet. Die Last wird durch einen mit einer Kugelfläche versehenen Tragkörper 3, in eine kugelflächenförmige Vertiefung des Kolbens 2 passend, auf den Kolben übertragen. Bei zunehmender Belastung sinkt der Kolben 2 und die im Raum 4 unter dem Kolben befindliche Flüssigkeit fliesst durch einen Stutzen 5, ein Rohr 6 und durch einen Durchgangshahn 7, welcher den Querschnitt des Rohres 6 regelt, in einen Behälter 8, in dem er eine Membran 9 bzw. ein Gas in der Membran zusammendrückt. Die Abnahme des Volumens ruft eine polytropische Zustands- änderung des Gases hervor, wobei sich der Druck des Gases in geringem Masse erhöht und den Kolben 2 durch Zurückdrücken der Flüssigkeit nach oben drückt.
Hiedurch kommt eine weiche Schwingung des Kolbens um seine Normalstellung zustande. Wird die Belastung des Kolbens 2 grösser, z. B. durch das Einsteigen von Passagieren in den Wagen, dann sinkt der Kolben 2. Sobald ein im Kolben 2 vorgesehener Innenwulst 2a eine Anschlagscheibe 11a am Ventilschaft 11 eines Kugelventils 10 erreicht und nach unten drückt, verschiebt der Ventilschaft eine Kugel 12 von ihrem Ventilsitz, worauf aus einem Akkumulator 13 Flüssigkeit mit hohem Druck durch das Kugelventil 10 in den Kolbenraum 4 strömt. Der Normaldruck der hydropneumatischen Federung steigt dadurch an und der Kolben 2 gelangt in seine ursprüngliche Lage.
Beim Absinken der Grundbelastung, z. B. wenn Passagiere aussteigen, bewegt sich der Kolben 2 nach oben. Sobald der Innenwulst 2a die Anschlagscheibe 15 eines Nadelventils 14 erreicht hat und mitnimmt, heben sich eine Ventilstange 16 und deren kegeliger Kopf 17 vom Ventilsitz gegen eine Feder 18 ab, worauf ein Teil der Druckflüssigkeit im Kolbenraum 4 durch ein Rohr 19 in einen Behälter 20 zurückfliesst. Der Normaldruck der Federung sinkt und der Kolben 2 kehrt in seine ursprüngliche Lage zurück.
Die Abdichtung des Kolbens 2 bzw. seine Passung an der Innenwand des Zylinders 1 wird durch einen Dichtungsring 21 am oberen Teil des Kolbens 2 gewährleistet, welcher Dichtungsring durch eine mit Schrauben an dem Kolben 2 zu befestigende Scheibe 22 an seinen festgelegten Platz gepresst wird.
Die Versorgung mit Druckflüssigkeit des hydropneumatischen Systems nach der Erfindung erfolgt mit Hilfe einer Pumpe 23, welche die Flüssigkeit durch ein Filter 24 aus dem Behälter 20 ansaugt und über ein Rückschlagventil 25 und durch ein Rohr 26 in die untere Anschlussbohrung des Kugelventils 10 drückt, von wo es durch Bohrungen 27 des Kugelventils 10 in den Flüssigkeitsraum 4 des Kolbens 2 gelangt. Das Rückschlagventil 25 verhindert das Zurückströmen der Druckflüssigkeit.
Der aus dem von der Rohrleitung 26 abgezweigten Gehäuse 13 und aus dem im Gehäuse untergebrachten, von einer Membran 28 umschlossenen Luftkissen bestehende druckspeichernde Akkumulator hilft die Druckschwankungen der Flüssigkeit in der Rohrleitung 26 auszugleichen und speichert auch zusätzlich für den Fall grösserer Belastungsänderungen eine entsprechendeFlüssigkeits- menge hohen Druckes und ermöglicht dadurch die Anwendung einer Pumpe verhältnismässig kleiner Leistung.
Das vom Rohr 26 abzweigende Rohr 29 verbindet das Rohr 26 mit einem Druckentlastungsventil 30. Dieses schaltet die Pumpe zwischen den eingestellten Druckgrenzen auf Leerlauf und er-
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höht somit die Lebensdauer der Pumpe. Das Ventil dient gleichzeitig zum Einstellen des Maximal- druckes in der Rohrleitung 26 und schliesslich auch als Sicherheitsventil des Versorgungssystems.
Die Gummiring 32 und 32a auf dem kreisförmigen Flansch 31 des Tragorgans 3 sind von- einander dus. zwischen sie gelegte, aus Metall ode dgl. gefertigte Ringe 33 getrennt. Die Belastung des Fahrzeuges wird auf die obere Fläche der obersten Ringe 32 und 32a übertragen. Die Gummi- ringe 32 und 32a werden durch die Wirkung der Belastung deformiert. Die Verformung ist jedoch nur gering, da die waagrechten Flächen der Ringe 32 und 32a in die Metallringe 33 geklebt oder vulkanisiert sind. Sie können sich also in waagrechter Richtung in bedeutendem Masse nicht dehnen, ausserdem ist auch die Höhe der Ringe gering.
Infolge der Verformung der Ringe erfolgt eine weiche Lastübertragung, ausserdem werden die auftretenden Schwingungen entsprechend der Verformungsarbeit des Gummis gedämpft bzw. die Ampli- tuden der Schwingungen werden kleiner.
Der hydropneumatische Federmechanismus nach der Erfindung hat folgende Vorteile :
Das Einströmen der Flüssigkeit hohen Druckes in den Raum 4 des Kolbens 2 bzw. das Ausströmen aus diesem Raum wird von der Bewegung des Kolbens 2 im Gehäuse 1 zwischen den beiden eingestellten Extremlagen gesteuert. Die beiden äusseren Lagen können durch die Wahl der Länge der Ventilstangen 11 bzw. 16 und durch die Wahl der Lage des Innenwulstes 2a des Kolbens leicht und mit einfachen Mitteln bestimmt werden. Das Zu- und Ableiten der Flüssigkeit kann zwangsweise durchgeführt werden, so dass die Federung fehlerfrei arbeitet. Der Zylinder 1 und der Kolben 2 können leicht und billig bearbeitet werden, weil sich keine Steuernuten und Steuerbohrungen in ihnen befinden.
Die bei den bekannten hydropneumatischen Federmechanismen übliche besondere Passung zwischen Kolben und Zylinder wird bei der Ausführung nach der Erfindung nicht benötigt. Die Funktion der die Strömung der Hochdruckflüssigkeit steuernden Organe ändert sich auch nach langer Betriebszeit nicht, weil sich keine die Qualität der Steuerarbeit beeinflussende, leicht verschleissbaren Bauteile in den Steuerorganen befinden. Die Belastung wird vom Fahrgestell des Schienenfahrzeuges mit Hilfe von Gummiringen auf den Kolben des hydropneumatischen Federmechanismus nach der Erfindung weich übertragen, und die im Mechanismus auftretenden Schwingungen werden gleichzeitig durch die Form- änderungsarbeit der Gummiringe gedämpft.
Durch die Anwendung des zuverlässigen hydropneumatischen Federmechanismus nach der Erfindung kann der bei Anwendung der bekannten Federmechanismen ver- hältnismÅassig häufig auftretende Ausfall des Fahrzeuges infolge Beschädigung des Federmechanismus praktisch vermieden werden.
Es können z. B. anstatt des Dichtungsringes 21 auch mehrere untereinander angeordnete Dichtungsringe verwendet werden, der Tragkörper 3 kann auch anders ausgebildet sein oder die Ringe 32 und à können auch aus Kunststoff gefertigt werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Hydropneumatische Federung, mit einem in einem Zylinder axial verschiebbaren, die Last aufnehmenden Kolben, der von einer an einen Windkessel angeschlossenen Druckflüssigkeit beaufschlagt ist, wobei für die Niveauregelung des Kolbens gegenüber dem Zylinder je ein Zulauf- und ein Ablaufventil für die von einer Umlaufpumpe geförderte Druckflüssigkeit vorgesehen ist, welche Ventile durch Anschläge am Kolben betätigbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (2) in seinem Inneren mit einem ringförmigen, wulstartigen Vorsprung (2a) versehen ist, und dass die das Zulaufbzw. das Ablaufventil (10,14) betätigenden Ventilstangen (11,16) Anschlagscheiben (lla, 15) tragen, welche sich in den Endlagen des Kolbens gegen den ringförmigen Vorsprung legen.