Die Erfindung betrifft eine Niveauregelung für Gasfedern, insbesondere für Schienenfahrzeuge, wobei für jede Gasfeder mindestens eine den Gasdruck im Federbelag steuernde Ventilanordnung vorgesehen ist.
Moderne Schienenfahrzeuge werden oft mit Gasfedern ausgerüstet, die mit einer Niveauregelung versehen sind. Die Niveauregelung hat dabei den Zweck, die Federhöhe unabhängig vom Belastungszustand annähernd konstant zu halten.
Derartige Niveauregelungen weisen im allgemeinen ein Ventil auf, das mit einer parallel zur Federachse liegenden Steuerstange betätigt wird, wodurch dem jeweiligen Federbalg Gas zu- bzw. abgeführt wird.
In der deutschen Offenlegungsschrift 1 455 159 ist eine regelbare Gasfederung mit seitenbeweglichen Bälgen beschrieben, bei der zwischen dem Untergestellrahmen und einem am Drehgestellrahmen befestigten Zusatzgasraum ein Gasfederelement gasdicht angeordnet ist. Innerhalb des Zusatzgasraumes befindet sich ein mit dem Gasfederelement gasdicht verbundener Einsatz, der in seinem unteren zylindrischen Teil einen Boden und zwei Zwischenböden aufweiset, in denen eine Ventilstange verschiebbar geführt ist. Das obere Ende der Ventilstange und der Untergestellrahmen weisen je ein Kugelgelenk auf, an welchen eine Steuerstange mit ihrem unteren bzw. oberen Ende angelenkt ist. Auf der Ventilstange befinden sich vier Anschläge, zwischen denen zwei zylindrische Schraubenfedern angeordnet sind.
Zwei ebenfalls auf der Ventilstange befindliche Ventilteller werden mittels der Federn gegen die beiden mittleren Anschläge gepresst. In den beiden Zwischenböden sowohl als auch im unterhalb der Zwischenböden liegenden zylindrischen Teil des Einsatzes sind Öffnungen angeordnet, die den Durchtritt des Gases gestatten.
Sobald der Untergestellrahmen nach oben ausfedert, vergrössert sich das Volumen des Gasfederelementes. Zusammen mit dem Volumen des Zusatzgasraumes ergibt sich ein relativ grosses Gesamtvolumen, so dass die Federung bei der Abwärtsbewegung zu weich wäre. Nach einer gewissen Aufwärtsbewegung der Steuerstange und der mit ihr verbundenen Ventilstange schliesst jedoch der untere Ventilteller die im unteren Zwischenboden befindlichen Öffnungen. Während der restlichen Aufwärtsbewegung ist daher das Gasvolumen auf den Inhalt des Gasfederelementes beschränkt; ausserdem wird gleichzeitig die untere zylindrische Schraubenfeder gespannt.
Bei der nun erfolgenden Abwärtsbewegung ist die Federung des Gasfederelementes infolge des verringerten Gasvolumens zunächst etwas verhärtet. Nach Abheben des unteren Ventiltellers und Zuschalten des Zusatzgasraumes wird die Federung jedoch wieder weicher. Nach einer weiteren Abwärtsbewegung schliesst der obere Ventilteller die im oberen Zwischenboden befindlichen Öffnungen, womit der Ablauf der weiter oben beschriebenen Vorgänge in entgegengesetzter Richtung eingeleitet wird.
Der Nachteil dieser regelbaren Gasfederung liegt insbesondere darin, dass zum Ansprechen des Ventils ein bestimmter Weg der Steuerstange bzw. eine bestimmte Ein- oder Ausfederung des Gasfederelementes erforderlich ist. Bis nun das gesteuerte Gasvolumen wirksam wird, vergeht eine Reaktionszeit, die von den Durchlassquerschnitten des Ventils und dem Leitungswiderstand abhängig ist. Wird ein mit dieser Gasfederung ausgerüstetes Schienenfahrzeug zum Wanken angeregt, wobei die Ein- und Ausfederungen in sehr kurzen Zeitabständen erfolgen können, so kann der Regelmechanismus nicht oder nur ungenügend diesem schnellen Bewegungswechsel folgen. Es kann daher in den Gasfederelementen keine wirksame, diese Wankbewegungen dämpfende Reaktion aufgebaut werden. Bei Anregungen nahe der Wankeigenfrequenz können sich daher Resonanzerscheinungen einstellen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Niveauregelung für Gasfedern, insbesondere für Schienenfahrzeuge, vorzuschlagen, die diese Nachteile nicht aufweist, sondern bei der das Gasvolumen der Gasfedern so gesteuert wird, dass die Wankbewegungen in kürzester Zeit abgebaut werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass jeder Federbalg ein Einlassventil und ein Auslassventil aufweist, wobei dem Einlassventil ein beim Absenken des Federbalges schaltbares erstes Schaltglied und dem Auslassventil ein beim Anheben des Federbalges schaltbares zweites Schaltglied zugeordnet ist und ein vom ersten Schaltglied betätigbares, an das Einlassventil einen verzögerten Steuerbefehl abgebendes erstes Zeitglied und ein vom zweiten Schaltglied betätigbares, an das Anlassventil einen verzögerten Steuerbefehl abgebendes zweites Zeitglied vorhanden ist,
wobei das Einlassventil infolge des verzögerten Steuerbefehls des ersten Zeitgliedes während der zweiten Hälfte der oberen Halbwelle des Verlaufes der Federbalgbewegung öffnet und der Gasfeder Gas zwecks Erhöhung der inneren Rückstellkraft zugeführt wird und das Auslassventil infolge des verzögerten Steuerbefehls des zweiten Zeitgliedes während der zweiten Hälfte der nachfolgenden unteren Halbwelle des Verlaufes der Federbalgbewegung öffnet und der Gasfeder Gas zwecks Verminderung der erhöhten inneren Rückstellkraft abgeführt wird.
Eine bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltglieder elektrische Einschalttaster sind, die mit je einem elektrischen Ausschalttaster in Serie geschaltet sind und die Zeitglieder je einen Schliesskontakt aufweisende Zeitrelais mit einstellbarer Einschaltverzögerung sind, wobei zwei mittels der Einschalttaster erregbare Hilfsrelais vorhanden sind, die sich mittels parallel zu den Einschalttastern geschalteten Selbsthaltekontakten an Spannung halten und je einen Schliesskontakt aufweisen, über welche die Zeitrelais erregbar sind, und dass das Einlassventil und das Auslassventil Magnetventile sind, deren Erregerspule über die Schliesskontakte der Zeitrelais erregbar sind.
Auf beiliegender Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, das im folgenden näher erläutert wird. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Niveauregelung für Gasfedern und
Fig. 2 eine graphische Darstellung des Verlaufes der Federbalgbewegung und der eingesteuerten Rückstellkraft in Abhängigkeit von der Zeit.
In der Fig. 1 ist mit 1 der Federbalg einer zwischen dem Untergestellrahmen 2 und dem Drehgestellrahmen 3 eines Schienenfahrzeuges angeordneten Gasfeder 4 bezeichnet.
Über zwei Leitungen 5, 6 wird der Gasfeder 4 Gas, beispielsweise Luft, zugeführt bzw. entnommen. Mittels zweier in den Leitungen 5, 6 angeordneter Magnetventile, einem Einlassventil 7 und einem Auslassventil 8, kann der Luftdruck im Federbalg 1 gesteuert werden. Ein mit der Federbalgoberkante verbundenes Betätigungsglied 9 betätigt beim Absenken des Federbalges 1 einen Einschalttaster 10 und einen Aussschalttaster 11. Ein weiteres, ebenfalls mit der Federbalgoberkante verbundenes Betätigungsglied 12 betätigt beim Anheben des Federbalges 1 einen Einschalttaster 13 und einen Ausschalttaster 14. Die Betätigungsglieder 9, 12 sind z. B. durch gelenkige Anordnungen mit Federn und Anschlägen so eingerichtet, dass beim Absenken des Federbalges 1 nur die Taster 10, 11 und beim Anheben nur die Taster 13, 14 betätigt werden können.
Einschalttaster 10 und Ausschalttaster 11 sind mit einem Hilfsrelais 15, welches einen parallel zum Einschalttaster 10 geschalteten Selbsthaltekontakt 15.1 aufweist, in Serie geschaltet und über Klemmen K 1, K2 mit einer nich't dargestellten Stromquelle verbunden. Ein eine einstellbare Einschaltverzögerung aufweisendes Zeitrelais 16 ist über einen Schliesskontakt 15.2 des Hilfsrelais 15 an den Klemmen K 1, K2 angeschlossen. Über einen Schliesskontakt 16.1 des Zeitrelais 16 ist die Erregerspule 7.1 des Magnetventils 7 ebenfalls mit den Klemmen K 1, K2 verbunden. Einschalttaster 13 und Aus schaktaster 14 sind mit einem Hilfsrelais 17, welches einen parallel zum Einschalttaster 13 geschalteten Selbsthaltekontakt 17.1 aufweist, in Serie geschaltet und über Klemmen K3, K4 mit einer nicht dargestellten Stromquelle verbunden.
Ein eine einstellbare Einschaltverzögerung aufweisendes Zeitrelais 18 ist über einen Schliesskontakt 17.2 des Hilfsrelais 17 an den Klemmen K3, K4 angeschlossen. Über einen Schliesskontakt 18.1 des Relais 18 ist die Erregerspule 8.1 des Magnetventils 8 ebenfalls mit den Klemmen K3, K4 verbunden.
In der Fig. 2 ist auf der X-Achse die Zeit t und auf der Y-Achse der Weg s des Federbalges 1 bzw. die eingesteuerte Rückstellkraft P aufgetragen. Mit su ist der Verlauf der ungedämpften und mit 5g der Verlauf der gedämpften Federbalgbewegung bezeichnet, wobei die X-Achse die Sollhöhe des Federbalges 1 angibt. Der Verlauf der eingesteuerten Rückstellkraft P ist mit Pe bezeichnet. Die Bedeutung der gekennzeichneten Kurvenpunkte bzw. Weg- und Zeitabschnitte ist aus der nachfolgenden Funktionsbeschreibung ersichtlich.
Die vorstehend beschriebene Niveauregelung arbeitet wie folgt:
Beim Absenken des Federbalges 1 um den Weg Si wird der Einschalttaster 10 geschlossen. Darauf zieht das Hilfsrelais 15 an und hält sich über den Selbsthaltekontakt 15.1. Gleichzeitig schliesst der Kontakt 15.2, so dass das Zeitrelais 16 erregt wird. Die Anzugsverzögerung des Zeitrelais 16 bewirkt nun, dass der Kontakt 16.1 erst nach einer Zeit tzg schliesst, wodurch die Magnetspule 7.1 erregt wird und das Einlassventil 7 geöffnet. Die nun über die Leitung 5 einströmende Luft verstärkt die innere Rückstellkraft der Gasfeder. Die zusätzliche, eingesteuerte Rückstellkraft wird nach einer Ansprechzeit tA1, welcher ein Punkt W1 auf der Kurve Pe zugeordnet ist, wirksam.
Die Zeit tzj ist so gewählt, dass der Punkt W1 gleichzeitig mit dem oberen Umkehrpunkt A1 der Kurve su der ungedämpften Federbalgbewegung erreicht wird. Dadurch wird die nachfolgende Absenkung des Federbalges 1 verlangsamt.
Hat sich der Federbalg 1 bei der Abwärtsbewegung bis auf einen Weg S3 der Sollhöhe genähert, so wird der Ausschalttaster 11 betätigt, worauf die Relais 15, 16 abfallen und der Kontakt 16.1 geöffnet wird. Infolgedessen wird die Magnetspule 7.1 des Einlassventils 7 spannungslos, wodurch die Luftzufuhr zum Federbalg 1 sofort unterbrochen wird. Die eingesteuerte Rückstellkraft bleibt nun annähernd konstant, was eine weitere Dämpfung der Federbalgbewegung bewirkt.
Während der Zeitspanne tzt wird bei der Aufwärtsbewegung des Federbalges 1 kurz vor Überschreiten der Sollhöhe der Ausschalttaster 14 ohne Wirkung betätigt und kurz nach Überschreiten der Sollhöhe und Zurücklegen des Weges S2 der Einschalttaster 13 geschlossen. Darauf zieht das Hilfsrelais 17 an und hält sich über den Selbsthaltekontakt 17.1. Gleichzeitig schliesst der Kontakt 17.2, so dass das Zeitrelais 18 erregt wird. Die Anzugsverzögerung des Relais 18 bewirkt nun, dass der Kontakt 18.1 erst nach einer Zeit tz2 schliesst, wodurch die Magnetspule 8.1 erregt wird und das Auslassventil 8 öffnet. Die nun über die Leitung 6 ausströmende Luft baut die eingesteuerte Rückstellkraft wieder ab, wobei deren Verminderung erst nach einer Ansprechzeit tA2, welcher ein Punkt W2 auf der Kurve Pe zugeordnet ist, wirksam wird.
Die Zeit te2 ist so gewählt, dass der Punkt W2 gleichzeitig mit dem unteren Umkehrpunkt A2 der Kurve 5g der gedämpften Federbalgbewegung, welcher bereits wesentlich näher an der Sollhöhe liegt als der Punkt Al, erreicht wird. Dadurch wird die nachfolgende Aufwärtsbewegung des Federbalges 1 stark verlangsamt, was eine weitere Verflachung der Kurve 5g bzw.
einen weiteren Abbau der Wankbewegungen bewirkt.
Hat sich der Federbalg 1 bei der weiteren Aufwärtsbewegung bis auf einen Weg S4 der Sollhöhe genähert, so wird der Ausschalttaster 14 wieder betätigt, worauf die Relais 17, 18 abfallen und der Kontakt 18.1 geöffnet wird. Infolgedessen wird die Magnetspule 8.1 des Auslassventils 8 spannungslos, wodurch die Luftabfuhr vom Federbalg 1 sofort unterbrochen wird. Die eingesteuerte Rückstellkraft ist damit annähernd abgebaut, so dass ein evtl. erfolgender erneuter Anstieg des Federbalges 1 durch dieselbe nicht unterstützt werden kann.
Ist die Wankbewegung noch nicht genügend abgebaut, so wiederholt sich der vorstehend beschriebene Vorgang, bis der Federbalg 1 endgültig die Sollhöhe einnimmt.
Die günstigsten Verzögerungszeiten tza und tz2 können vor Inbetriebnahme oder während des Betriebes des Schienenfahrzeuges durch Versuche ermittelt und eingestellt werden.
Anstatt die Niveauregelung, wie beispielsweise beschrieben, mit elektrischen Mitteln zu realisieren, kann man sie auch mit pneumatischen, hydraulischen oder mechanischen Mitteln verwirklichen.
The invention relates to a level control for gas springs, in particular for rail vehicles, with at least one valve arrangement controlling the gas pressure in the spring lining being provided for each gas spring.
Modern rail vehicles are often equipped with gas springs that are equipped with a level control. The purpose of the level control is to keep the spring height approximately constant regardless of the load condition.
Such level regulators generally have a valve which is actuated by a control rod lying parallel to the spring axis, whereby gas is supplied to or discharged from the respective bellows.
German Offenlegungsschrift 1 455 159 describes a controllable gas suspension with laterally movable bellows, in which a gas spring element is arranged in a gastight manner between the underframe and an additional gas space attached to the bogie frame. Inside the additional gas space there is an insert which is connected to the gas spring element in a gas-tight manner and which, in its lower cylindrical part, has a base and two intermediate bases in which a valve rod is displaceably guided. The upper end of the valve rod and the subframe each have a ball joint to which a control rod is articulated with its lower or upper end. There are four stops on the valve rod, between which two cylindrical coil springs are arranged.
Two valve plates, also located on the valve rod, are pressed against the two middle stops by means of the springs. In the two intermediate floors as well as in the cylindrical part of the insert located below the intermediate floors, openings are arranged which allow the passage of the gas.
As soon as the sub-frame springs upwards, the volume of the gas spring element increases. Together with the volume of the additional gas space, this results in a relatively large total volume, so that the suspension would be too soft during the downward movement. After a certain upward movement of the control rod and the valve rod connected to it, however, the lower valve disk closes the openings in the lower intermediate floor. During the rest of the upward movement, the gas volume is therefore limited to the content of the gas spring element; In addition, the lower cylindrical coil spring is tensioned at the same time.
During the downward movement that now takes place, the suspension of the gas spring element is initially somewhat hardened due to the reduced gas volume. After lifting the lower valve plate and switching on the additional gas space, the suspension becomes softer again. After a further downward movement, the upper valve disk closes the openings in the upper intermediate floor, whereby the sequence of the processes described above is initiated in the opposite direction.
The disadvantage of this controllable gas suspension is, in particular, that a certain path of the control rod or a certain compression or rebound of the gas spring element is required for the valve to respond. Until the controlled gas volume takes effect, a reaction time elapses which depends on the passage cross-section of the valve and the line resistance. If a rail vehicle equipped with this gas suspension is stimulated to sway, and the compression and rebound can take place at very short time intervals, the control mechanism cannot or only insufficiently follow this rapid change in movement. Therefore, no effective reaction that dampens these rolling movements can be built up in the gas spring elements. With excitations close to the natural roll frequency, resonance phenomena can occur.
The invention is based on the object of proposing a level control for gas springs, in particular for rail vehicles, which does not have these disadvantages, but in which the gas volume of the gas springs is controlled in such a way that the rolling movements are reduced in the shortest possible time.
This object is achieved according to the invention in that each spring bellows has an inlet valve and an outlet valve, the inlet valve being assigned a first switching element that can be switched when the bellows is lowered and a second switching element that can be switched when the bellows is raised and a second switching element that can be actuated by the first switching element is assigned to the outlet valve The inlet valve has a first timing element that issues a delayed control command and a second timing element that can be actuated by the second switching element and that sends a delayed control command to the starter valve is present,
wherein the inlet valve opens as a result of the delayed control command of the first timing element during the second half of the upper half-wave of the bellows movement and gas is supplied to the gas spring to increase the internal restoring force and the outlet valve as a result of the delayed control command of the second timing element during the second half of the subsequent lower Half-wave of the bellows movement opens and gas is discharged from the gas spring to reduce the increased internal restoring force.
A preferred embodiment is characterized in that the switching elements are electrical switch-on buttons, each connected in series with an electrical switch-off button, and the timers are time relays each having a closing contact with an adjustable switch-on delay, with two auxiliary relays which can be excited by means of the switch-on buttons are present, which are activated by means of Keep self-holding contacts connected in parallel to the switch-on buttons at voltage and each have a closing contact via which the timing relays can be excited, and that the inlet valve and the outlet valve are solenoid valves whose excitation coil can be excited via the closing contacts of the timing relays.
The accompanying drawing shows an embodiment of the invention, which is explained in more detail below. Show it:
Fig. 1 is a schematic representation of a level control for gas springs and
2 shows a graphic representation of the course of the bellows movement and the applied restoring force as a function of time.
In FIG. 1, 1 denotes the bellows of a gas spring 4 arranged between the underframe frame 2 and the bogie frame 3 of a rail vehicle.
Gas, for example air, is supplied to or removed from the gas spring 4 via two lines 5, 6. The air pressure in the bellows 1 can be controlled by means of two solenoid valves arranged in the lines 5, 6, an inlet valve 7 and an outlet valve 8. An actuating element 9 connected to the upper edge of the bellows actuates a switch-on button 10 and an off-switch 11 when the bellows 1 is lowered. Another actuating element 12, which is also connected to the upper edge of the bellows, actuates an on-button 13 and an off-button 14 when the bellows 1 is raised. The actuators 9, 12 are z. B. set up by articulated arrangements with springs and stops so that when lowering the bellows 1 only the buttons 10, 11 and when lifting only the buttons 13, 14 can be actuated.
Switch-on button 10 and switch-off button 11 are connected in series with an auxiliary relay 15, which has a self-holding contact 15.1 connected in parallel to the switch-on button 10, and connected to a power source not shown via terminals K 1, K2. A timing relay 16 having an adjustable switch-on delay is connected to terminals K 1, K2 via a closing contact 15.2 of the auxiliary relay 15. The excitation coil 7.1 of the solenoid valve 7 is also connected to the terminals K 1, K2 via a closing contact 16.1 of the timing relay 16. On button 13 and off switch button 14 are connected in series with an auxiliary relay 17, which has a self-holding contact 17.1 connected in parallel to the on button 13, and connected to a power source, not shown, via terminals K3, K4.
A time relay 18 having an adjustable switch-on delay is connected to terminals K3, K4 via a closing contact 17.2 of the auxiliary relay 17. The excitation coil 8.1 of the solenoid valve 8 is also connected to the terminals K3, K4 via a closing contact 18.1 of the relay 18.
In FIG. 2, the time t is plotted on the X axis and the path s of the bellows 1 or the applied restoring force P is plotted on the Y axis. The curve of the undamped bellows movement is designated by su and the curve of the damped bellows movement is designated by 5g, the X-axis indicating the desired height of the bellows 1. The course of the applied restoring force P is denoted by Pe. The meaning of the marked curve points or distance and time segments can be seen from the following functional description.
The level control described above works as follows:
When the bellows 1 is lowered by the path Si, the switch-on button 10 is closed. The auxiliary relay 15 then picks up and is held via the self-holding contact 15.1. At the same time, the contact 15.2 closes, so that the timing relay 16 is excited. The response delay of the timing relay 16 now causes the contact 16.1 to close only after a time tzg, as a result of which the magnetic coil 7.1 is excited and the inlet valve 7 is opened. The air now flowing in via line 5 increases the internal restoring force of the gas spring. The additional, controlled restoring force becomes effective after a response time tA1, to which a point W1 on the curve Pe is assigned.
The time tzj is chosen so that the point W1 is reached at the same time as the upper reversal point A1 of the curve su of the undamped bellows movement. This slows down the subsequent lowering of the bellows 1.
If, during the downward movement, the bellows 1 has approached the desired height up to a distance S3, the switch-off button 11 is actuated, whereupon the relays 15, 16 drop out and the contact 16.1 is opened. As a result, the solenoid 7.1 of the inlet valve 7 is de-energized, whereby the air supply to the bellows 1 is immediately interrupted. The applied restoring force now remains almost constant, which further dampens the bellows movement.
During the period of time tzt, when the bellows 1 moves upwards, shortly before the target height is exceeded, the switch-off button 14 is actuated without effect and shortly after the target height has been exceeded and the distance S2 has been covered, the on-button 13 is closed. The auxiliary relay 17 then picks up and is held via the self-holding contact 17.1. At the same time, the contact 17.2 closes, so that the timing relay 18 is excited. The response delay of the relay 18 now causes the contact 18.1 to close only after a time tz2, whereby the magnetic coil 8.1 is excited and the outlet valve 8 opens. The air now flowing out via the line 6 reduces the restoring force that has been introduced, the reduction of which only becomes effective after a response time tA2, to which a point W2 on the curve Pe is assigned.
The time te2 is chosen so that the point W2 is reached simultaneously with the lower reversal point A2 of the curve 5g of the damped bellows movement, which is already much closer to the target height than the point A1. As a result, the subsequent upward movement of the spring bellows 1 is greatly slowed down, which further flattens the curve 5g or
causes a further reduction in rolling movements.
If the bellows 1 has approached the desired height during the further upward movement up to a distance S4, the switch-off button 14 is actuated again, whereupon the relays 17, 18 drop out and the contact 18.1 is opened. As a result, the magnetic coil 8.1 of the outlet valve 8 is de-energized, whereby the air discharge from the bellows 1 is immediately interrupted. The applied restoring force is thus approximately reduced, so that a possibly occurring renewed rise of the bellows 1 cannot be supported by the same.
If the rolling movement has not yet been sufficiently reduced, the process described above is repeated until the bellows 1 finally assumes the desired height.
The most favorable delay times tza and tz2 can be determined and set through tests before commissioning or during operation of the rail vehicle.
Instead of implementing the level control, as described, for example, with electrical means, it can also be implemented with pneumatic, hydraulic or mechanical means.