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Die Erfindung betrifft eine Luftfeder für ein Schienenfahrzeug, aufweisend eine zylindrische Felge, eine Grundplatte, einen elastischen, ringförmigen Luftfederbalg, der in einer Längsrichtung der Luftfeder zwischen der Felge und der Grundplatte angeordnet ist, so dass sich eine von der Felge, der Grundplatte und dem Luftfederbalg begrenzte Luftfederkammer bildet, und der einen oberen, umlaufenden Befestigungsrand und einen unteren, umlaufenden Befestigungsrand aufweist, und einen der Grundplatte zugeordneten, ringförmigen Wulstring, wobei der obere Befestigungsrand zwischen der Grundplatte und dem Wulstring eingeklemmt ist, und der untere Befestigungsrand an der Felge befestigt ist.
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Außerdem betrifft die Erfindung ein Schienenfahrzeug, aufweisend ein als Fahrwerk dienendes Drehgestell mit mindestens einer Achse und daran drehbar gelagerten Rädern, einen Wagenkasten, der drehbar gelagert an dem Drehgestell befestigt ist, und mindestens eine zwischen dem Wagenkasten und dem Drehgestell angeordnete Luftfeder.
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Luftfedern sind aus dem Stand der Technik bekannt. In ihrem Grundaufbau umfassen Luftfedern dazu eine zylindrische Felge, eine Grundplatte und einen elastischen, ringförmigen Luftfilterbalg. Der Luftfilterbalg weist an seinen Stirnseiten jeweils einen wulstförmigen, umlaufenden Befestigungsrand auf. Für gewöhnlich ist die Felge zumindest teilweise unterhalb des Luftfilterbalgs angeordnet. Korrespondierend ist die Grundplatte für gewöhnlich oberhalb des Luftfilterbalgs angeordnet. Deshalb wird im Folgenden auch von einem oberen bzw. einem unteren Befestigungsrand des Luftfilterbalgs gesprochen. Mit dem unteren Befestigungsrand ist der Luftfilterbalg an der Felge befestigt. Die Befestigung kann hierbei kraftschlüssig und/oder formschlüssig ausgebildet sein. Mit dem oberen Befestigungsrand ist der Luftfilterbalg an der Grundplatte befestigt. Zur Befestigung des Luftfilterbalgs an der Grundplatte ist ein ringförmiger Wulstring vorgesehen, der mit der Grundplatte beispielsweise verschraubbar ist. Dabei sind die Grundplatte und/oder der Wulstring vorzugsweise aus Metall. Der obere Befestigungsrand ist zwischen der Grundplatte und dem Wulstring eingeklemmt. Dies kann beispielsweise durch Einstecken des oberen Befestigungsrands in einem Bereich zwischen der Grundplatte und dem Wulstring und einem anschließenden Verschraubungen des Wulstrings mit der Grundplatte erfolgen.
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Zwischen der Felge, der Grundplatte und dem Luftfilterbalg bildet sich die Luftfederkammer aus. Diese Luftfederkammer dient als Arbeitskammer, um Kräften, die zwischen der Felge und der Grundplatte wirken, durch ein Komprimieren eines von der Luftfilterkammer eingeschlossenen Volumens an Luft oder einem anderen Arbeitsgas entgegenzuwirken. Wird die Luftfeder also in ihrer Längsachse mit Kräften beaufschlagt, wirken auf die Grundplatte und die Felge Kräfte in entgegengesetzter Richtung, so dass die Luft in der Luftfederkammer komprimiert wird. Dies verursacht wiederum ein Aufblähen des Luftfilterbalgs in Querrichtung der Luftfeder, so dass es zu entsprechenden Reaktionskräften kommt, die einem Zusammendrücken der Felge und der Grundplatte entgegenwirken.
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Zwischen der Felge und der Grundplatte können auch entgegengesetzte Kräfte in Querrichtung der Luftfilter wirken. In diesem Fall verschieben sich die Felge und die Grundplatte in Querrichtung zueinander, was ebenfalls zu einem Komprimieren der Luft in der Luftfilter führt. Entsprechend der zuvor genannten Erläuterung verursacht diese Komprimierung Reaktionskräfte, die dem relativen Verschieben der Felge und der Grundplatte in Querrichtung zueinander entgegenwirken.
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In der Praxis hat es sich gezeigt, dass das zuvor erläuterte, relative Verschieben der Felge und der Grundplatte in Querrichtung zueinander teilweise akzeptabel ist und teilweise unerwünscht ist. So kann es bestimmte Querrichtungen geben, zu denen eine Verschiebung der Felge zu der Grundplatte gewünscht ist, wobei eine relative Verschiebung in andere Querrichtungen der Felge zu der Grundplatte unerwünscht ist. Darüber hinaus wird oftmals auch die Anforderung gestellt, dass nicht nur zwischen den Richtungen als solches zu unterscheiden ist, sondern auch danach zu unterscheiden ist, ob eine Verschiebung in positive oder negative Querrichtung gewünscht bzw. unerwünscht ist.
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Aus dem Stand der Technik ist die Verwendung von Luftfedern für Schienenfahrzeuge bekannt. Derartige Schienenfahrzeuge umfassen ein als Fahrwerk dienendes Drehgestell mit mindestens einer Achse und daran drehbar gelagerten Rädern oder Radsätzen. Außerdem umfasst das Schienenfahrzeug einen Wagenkasten, der drehbar gelagert an dem Drehgestell befestigt ist, und mindestens eine zwischen dem Wagenkasten und dem Drehgestell angeordnete Luftfeder. Die Luftfedern dienen oftmals dazu, um den Fahrkomfort des Schienenfahrzeugs zu gewährleisten oder zu erhöhen. Um den Fahrkomfort zu erhöhen, ist die Steifigkeit der Luftfeder, und insbesondere des Luftfilterbalgs, zu verringern. Dies führt jedoch zu erhöhten Wankbewegungen des Wagenkastens um seine Längsachse. Ein zu starkes Wanken des Wagenkastens um seine Längsachse ist jedoch zu vermeiden, da insbesondere zum Passieren von Tunneleinfahrten vorbestimmte Durchfahrquerschnitte nicht überschritten werden dürfen. Deshalb ist es gewünscht, dass die Luftfeder ein Wanken des Wagenkastens um seine Längsachse möglichst verhindert und gleichzeitig einen hohen Fahrkomfort gewährleistet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Luftfeder bereitzustellen, die je nach Belastungsrichtung unterschiedliche Reaktionskräfte hervorruft, wobei nach positiver und negativer Belastungsrichtung entlang einer Achse der Luftfeder unterschieden wird. Außerdem soll die Luftfeder dazu geeignet sein, einem Wanken eines Wagenkastens eines Schienenfahrzeugs um die Längsachse entgegenzuwirken und gleichzeitig einen möglichst hohen Fahrkomfort zu gewährleisten.
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Gemäß einem ersten Aspekt wird die Aufgabe gelöst durch eine Luftfeder mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Vorgesehen ist deshalb eine Luftfeder für ein Schienenfahrzeug, aufweisend eine zylindrische Felge, eine Grundplatte, einen elastischen, ringförmigen Luftfederbalg, der in einer Längsrichtung der Luftfeder zwischen der Felge und der Grundplatte angeordnet ist, so dass sich eine von der Felge, der Grundplatte und dem Luftfederbalg begrenzte Luftfederkammer bildet, und der einen oberen, umlaufenden Befestigungsrand und einen unteren, umlaufenden Befestigungsrand aufweist, und einen der Grundplatte zugeordneten, ringförmigen Wulstring, wobei der obere Befestigungsrand zwischen der Grundplatte und dem Wulstring eingeklemmt ist, der untere Befestigungsrand an der Felge befestigt ist, wobei von dem Wulstring an seiner von der Grundplatte abgewandten Seite mehrere sich in Längsrichtung erstreckende, ringabschnittsförmige Kragen ausgebildet sind, die Kragen radial außenseitig zumindest teilweise über den Luftfederbalg ragen, um ein Querausdehnen des Luftfederbalgs der Luftfeder zu begrenzen, ein erster Kragen der mehreren Kragen eine erste Längserstreckungslänge aufweist, ein zweiter Kragen der mehreren Kragen eine zweite Längserstreckungslänge aufweist, und die erste Längserstreckungslänge größer als die zweite Längserstreckungslänge ist.
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Der Erfindung liegt der Gedanke zu Grunde, die Komplexität der Luftfeder möglichst gering zu halten. Deshalb ist es vorgesehen, dass der Wulstring mehrere Kragen ausbildet. Diese Kragen sollen also als integraler Bestandteil des Wulstrings ausgebildet sein. Dies macht die Herstellung besonders einfach und Kostengünstig. Außerdem ist die Montage der Luftfeder vereinfacht, was ebenfalls entsprechende Kosten einspart. Die Kragen sind jeweils ringabschnittsförmig. Sie erstrecken sich also jeweils nur über einen bestimmten Bogenwinkel oder eine bestimmte Bogenlänge des Wulstrings. Außerdem springen die Kragen gegenüber dem verbleibenden Wulstring hervor, indem sie sich jeweils an einer von der Grundplatte abgewandten Seite des Wulstrings in Längsrichtung der Luftfeder erstrecken. Der Wulstring kann also vereinfacht gesehen eine Kronenform aufweisen. Da der Luftfederbalg zwischen der Grundplatte und der Felge angeordnet ist, und sich die Kragen von der Grundplatte aus gesehene in Längsrichtung weg erstrecken, überragen die Kragen den Luftfederbalg radial außenseitig zumindest teilweise. Mit anderen Worten können die Kragen in Querrichtung der Luftfeder außenseitig zu dem Luftfederbalg angeordnet sein. Wie weit oder mit welchem Maß die Kragen den Luftfederbalg überragen, hängt von einer Erstreckung des jeweiligen Kragen in Längsrichtung der Luftfeder, was auch als Längserstreckung des Kragen bezeichnet wird, und einer Bogenlänge des jeweiligen Kragen ab.
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Eine Querebene der Luftfeder kann grundsätzlich durch, vorzugsweise zwei, unabhängige Achsen in Querrichtung der Luftfeder beschrieben sein, die im Weiteren als Hauptquerachse und Nebenquerachse bezeichnet werden sollen. Wie zuvor erläutert, hat es sich als wünschenswert gezeigt, dass die Luftfeder in zwei unterschiedlichen Richtungen in der Querebene bei einer jeweiligen Belastung unterschiedliche Reaktionskräfte hervorruft. So kann es gewünscht sein, dass die Luftfeder bei einer Belastung in positive Richtung der Hauptquerachse eine Reaktionskräfte hervorruft, die sich von einer Reaktionskraft zumindest betragsmäßig unterscheidet, die durch eine vergleichbare Belastung in negativer Richtung der Hauptachse hervorgerufen wird.
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Um den zuvor genannten Wunsch gerecht zu werden, ist es vorgesehen, dass der Wulstring zumindest einen ersten Kragen und einen zweiten Kragen ausbildet, die jeweils einen der mehreren Kragen bilden. Als vorteilhaft hat sich erwiesen, wenn die Kragen jeweils eine zumindest im Wesentlichen gleiche Bogenlänge in Umfangsrichtung des Wulstrings aufweisen. Vorzugsweise weist der Wulstring genau zwei Kragen auf, nämlich den ersten Kragen und den zweiten Kragen. Der erste Kragen erstreckt sich mit einer ersten Erstreckungslänge und der zweiten Kragen erstreckt sich mit einer zweiten Erstreckungslänge in Längsrichtung der Luftfeder. Dabei ist die erste Erstreckungslänge größer als die zweite Erstreckungslänge. Mit anderen Worten weist der Wulstring zwei unterschiedlich lange Kragen auf. Diese Kragen sind jeweils ringabschnittsförmig, so dass ein Bereich des Luftfederbalgs, der von dem ersten Kragen überragt wird, stärker an einer Ausdehnung in Querrichtung gehindert wird, als ein Bereich des Luftfilterbalgs, der von dem zweiten Kragen überragt wird. Durch die unterschiedlichen Längserstreckungslängen des ersten Kragens und des zweiten Kragen wird der Luftfederbalg an einer Ausdehnung in unterschiedlichen Richtungen unterschiedlich stark gehindert. Dies hat zur Folge, dass die Luftfeder in unterschiedlichen Richtungen eine unterschiedliche Steifigkeit gegen eine Querschnittschiebung der Grundplatte zu der Felge aufweist. Mit anderen Worten weist die Luftfeder in Querrichtung zumindest zwei unterschiedliche Steifigkeiten auf.
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Eine bevorzugte Ausgestaltung der Luftfeder zeichnet sich dadurch aus, dass die Kragen über einen Umfang des Wulstrings verteilt angeordnet sind. Es kommt also nicht zu einer Überlappung von in Umfangsrichtung benachbarten Kragen. Die Verteilung der Kragen gewährleistet, dass unterschiedliche Bereiche des Luftfilterbalgs von jeweils einzelnen Kragen überragt werden. Damit wird der Luftfilterbalg an einer Ausdehnung in unterschiedlichen Querrichtungen der Luftfeder unterschiedlich stark gehindert bzw. begrenzt. Korrespondierend weist die Luftfeder zu den unterschiedlichen Querrichtungen voneinander abweichende Steifigkeiten auf. Diese Steifigkeiten können eingesetzt werden, um ein Verschieben der Grundplatte relativ zu der Felge in einer Querrichtung stärker zu hindern als in einer anderen Querrichtung.
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Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Luftfeder zeichnet sich dadurch aus, dass die Kragen in Umfangsrichtung des Wulstrings durch kragenfreie Abschnitte voneinander beabstandet angeordnet sind. Zwei in Umfangsrichtung benachbarte Kragen sind also jeweils durch einen kragenfreien Abschnitt voneinander getrennt. Im Bereich der kragenfreien Abschnitte weist der Wulstring also keinen Kragen auf. Korrespondierend ist der Luftfederbalg im Bereich der kragenfreien Abschnitte nicht von einem Kragen überragt. Der Luftfederbalg kann sich in diesem Bereich also ungehindert von einem Kragen in Querrichtung ausdehnen oder aufblähen. Durch eine abwechselnde Anordnung von Kragen und kragenfreiem Abschnitt in Umfangsrichtung des Wulstrings können sehr einfach Richtungen bestimmt werden, in denen der Luftfilterbalg an einer Ausdehnung begrenzt wird oder nicht behindert wird. Mit einer konstruktiven Ausgestaltung der Kragen können deshalb unterschiedliche Steifigkeiten der Luftfeder für unterschiedliche Querrichtungen der Luftfeder festgelegt sein. So kann die Steifigkeit der Luftfeder in einer Querrichtung besonders hoch und in einer anderen Querrichtung deutlich kleiner ausgestaltet sein.
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Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Luftfeder zeichnet sich dadurch aus, dass zwei kragenfreie Abschnitte vorgesehen sind, die zwischen dem ersten und zweiten Kragen angeordnet sind, wobei der erste Kragen und der zweite Kragen einander gegenüberliegend angeordnet sind. In Umfangsrichtung wechseln sich die Kragen und die kragenfreien Abschnitte also ab. Somit kann es vorgesehen sein, dass die beiden kragenfreien Abschnitte einander gegenüberliegend angeordnet sind. In Richtung der kragenfreien Abschnitte weist die Luftfeder deshalb eine geringere Steifigkeit auf als in einer der beiden Richtungen, die zu den Kragen weisen. Da die beiden Kragen einander gegenüberliegend angeordnet sind, liegen eine erste Richtung, die zu dem ersten Kragen zeigt, und eine zweite Richtung, die zu den zweiten Kragen zeigt, in zueinander entgegengesetzter Richtung auf einer gemeinsamen Querachse der Luftfeder. Je nach Auslenkung der Felge relativ zu der Grundplatte entlang der genannten Querachse kann es deshalb zu unterschiedlichen Reaktionskräften kommen. Wird die Felge relativ zu der Grundplatte in der genannten, ersten Richtung bewegt, ist die Reaktionskräfte größer als eine Reaktionskräfte, die hervorgerufen wird, wenn die Felge relativ zu der Grundplatte in der genannten zweiten Richtung bewegt wird. Entlang der gemeinsamen Querachse kann die Luftfeder also richtungsabhängig unterschiedliche Steifigkeiten aufweisen. Mit einer derartig ausgebildeten Luftfeder ist es möglich, dass Bewegungen in einer positiven Richtung einer Querachse der Luftfeder stärker oder schwächer gehindert werden als Bewegungen in einer negativen Richtung einer Querachse der Luftfeder. Nützlich wird eine derartige Ausbildung der Luftfeder vorzugsweise dann, wenn eine Auslenkung der Felge relativ zu der Grundplatte in einer positiven oder negativen Richtung einer Querachse der Luftfeder möglichst verhindert werden soll, wohingegen eine Auslenkung in die entgegen gesetzte Richtung der Querachse der Luftfeder zugelassen sein soll.
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Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Luftfeder zeichnet sich dadurch aus, dass sich der erste und/oder der zweite Kragen in Umfangsrichtung des Wulstrings jeweils über einen Bogenwinkel von 45 Grad bis 120 Grad erstreckt beziehungsweise erstrecken. Mit der Winkelgröße des Bogenwinkels kann festgelegt werden, wie stark der Einfluss des jeweiligen Kragens auf die Begrenzung einer Ausdehnung des Luftfederbalgs ist. So ist der Einfluss eines Kragens mit einem Bogenwinkel von 45 Grad deutlich kleiner als ein ansonsten vergleichbarer Kragen mit einem Bogenwinkel von 120 Grad. Besonders bevorzugt erstreckt sich ein Bogenwinkel des jeweiligen Kragens zwischen 60 Grad und 90 Grad. Dies gewährleistet, dass der jeweilige Kragen keinen oder fast keinen Einfluss auf eine relative Querbewegung zwischen der Felge und der Grundplatte nimmt, dessen Richtung senkrecht zu einer Richtung ist, die auf dem jeweiligen Kragen zeigt.
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Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Luftfeder zeichnet sich dadurch aus, dass sich die kragenfreien Abschnitte in Umfangsrichtung des Wulstrings jeweils über einen Bogenwinkel von 45 Grad bis 120 Grad erstrecken. Derartige kragenfreie Abschnitte gewährleisten, dass sich der Luftfederbalg in die auf die kragenfreien Abschnitte zeigenden Richtungen jeweils im Wesentlichen frei ausdehnen kann. Sofern die kragenfreien Abschnitte einander gegenüberliegend angeordnet sind, kann eine relative Querbewegung zwischen der Grundplatte und der Felge entlang einer Querachse, die die beiden kragenfreien Abschnitte verbindet, zumisst im Wesentlichen behinderungsfrei erfolgen. Durch eine Kombination der kragenfreien Abschnitte und der Kragen sind deshalb besonders einfach Richtungen mit unterschiedlichen Quersteifigkeiten für die Luftfeder konstruktiv festlegbar.
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Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Luftfeder zeichnet sich dadurch aus, dass ein dritter Kragen der mehreren Kragen eine dritte Längserstreckungslänge aufweist, und die zweite Längserstreckungslänge größer als die dritte Längserstreckungslänge ist. In diesem Fall werden von dem Wurstring also drei Kragen gebildet. Mit dem dritten Kragen kann eine weitere Steifigkeit für eine Querrichtung der Luftfeder konstruktiv festgelegt werden. Analog zu den vorherigen Erläuterungen, kann es vorgesehen sein, dass zwischen zwei benachbarten Kragen jeweils ein kragenfreien Abschnitt ist. Alternativ kann es vorgesehen sein, dass der dritte Kragen an den ersten Kragen und/oder den zweiten Kragen in Umfangsrichtung anschließt.
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Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Luftfeder zeichnet sich dadurch aus, dass vierter Kragen der mehreren Kragen eine vierte Längserstreckungslänge aufweist, die der dritten Längserstreckungslänge entspricht. Für den vierter Kragen gelten die analogen Merkmale, Vorteile und/oder Effekte, wie sie zu dem dritten Kragen erläutert wurden sind. Der Wulstring bildet also in diesem Fall vier Kragen. Mit dem vierten Kragen kann deshalb eine weitere Steifigkeit für eine Querrichtung der Luftfeder konstruktiv festgelegt werden. Mit dem vierten Kragen ist es außerdem möglich, dass die Kragen in Umfangsrichtung hintereinander angeordnet sind, so dass sie einen gemeinsamen Ring bilden. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass von den vier Kragen nur zwei oder drei Kragen unmittelbar hintereinander angeordnet sind. Alternativ ist es möglich, dass zwischen zwei benachbarten Kragen jeweils ein kragenfreien Abschnitt angeordnet ist.
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Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Luftfeder zeichnet sich dadurch aus, dass der dritte Kragen und der vierte Kragen einander gegenüberliegend angeordnet sind. Dabei kann die dritte Längserstreckungslänge der vierten Längserstreckungslänge entsprechen. Somit weist die Luftfeder sowohl in positiver Richtung als auch in negativer Richtung einer Querachse, die sich zwischen dem dritten Kragen und dem vierten Kragen erstreckt, die gleiche Steifigkeit auf. Alternativ kann es vorgesehen sein, dass die dritte Längserstreckungslänge größer die vierte Längserstreckungslänge ist. In diesem Fall können analoge Merkmale, Vorteile und/oder Effekte gelten, wie sie für den ersten Kragen und dem zweiten Kragen erläutert wurden sind.
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Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Luftfeder zeichnet sich dadurch aus, dass sich der dritte und/oder der vierte Kragen in Umfangsrichtung des Wulstrings jeweils über einen Bogenwinkel von 45 Grad bis 120 Grad erstreckt beziehungsweise erstrecken. Entsprechend Ihrem jeweiligen Bogenwinkel können der dritte Kragen und/oder der vierte Kragen den Luftfederbalg an einer Querausdehnung hindern. Durch die Wahl des Bogenwinkels ist also die Steifigkeit in Richtung des jeweiligen Kragens besonders einfach konstruktiv festgelegt.
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Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Luftfeder zeichnet sich dadurch aus, dass eine den ersten und den zweiten Kragen verbindende Hauptquerachse senkrecht zu einer die kragenfreien Abschnitte verbindenden Nebenquerachse ist. Durch die senkrechte Ausrichtung der Hauptquerachse zu der Nebenquerachse können besonders einfach drei im Wesentlichen voneinander unabhängige Quersteifigkeiten der Luftfeder konstruktiv festgelegt werden. Eine erste Quersteifigkeit wird durch den ersten Kragen in positiver Richtung der Hauptquerachse bestimmt. Eine zweite Quersteifigkeit wird durch den zweiten Kragen in negativer Richtung der Hauptquerachse bestimmt. Eine dritte Quersteifigkeit wird durch die Nebenquerachse bestimmt. Bei der Nebenquerachse ist die Steifigkeit in positiver und in negativer Richtung gleich, da hier die kragenfreien Abschnitte ausgebildet sind. Die Unabhängigkeit der Steifigkeiten entlang der Nebenquerachse liegt insbesondere dann vor, wenn die Kragen und/oder die kragenfreien Abschnitte spiegelsymmetrisch zu der Hauptquerachse ausgebildet sind.
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Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Luftfeder zeichnet sich dadurch aus, dass eine den ersten und den zweiten Kragen verbindende Hauptquerachse senkrecht zu einer den dritten und den vierten Kragen verbindenden Nebenquerachse ist. Diese Ausgestaltung kann deshalb als Alternative zu der vorherigen Ausgestaltung der Luftfeder aufgefasst werden. Durch die senkrechte Ausrichtung der Hauptquerachse zu der Nebenquerachse können besonders einfach drei oder vier im Wesentlichen voneinander unabhängige Quersteifigkeiten der Luftfeder konstruktiv festgelegt werden. Sofern der dritte Kragen und der vierte Kragen die gleiche Längserstreckungslänge aufweisen, gelten analoge Merkmale, Vorteile und Effekte, wie sie zu der vorangegangenen Ausgestaltung erläutert worden sind. Weisen alternativ alle vier Kragen unterschiedliche Längserstreckungslängen auf, wird durch jeden Kragen eine zugehörige Quersteifigkeit bestimmt. Die Luftfeder hätte dann vier unterschiedliche Quersteifigkeiten, die sich auf die positive Richtung und die negative Richtung der Hauptquerachse sowie auf die positive Richtung und die negative Richtung der Nebenquerachse verteilen.
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Gemäß einem zweiten Aspekt wird die eingangs genannte Aufgabe gelöst durch ein Schienenfahrzeug, aufweisend ein als Fahrwerk dienendes Drehgestell mit mindestens einer Achse und daran drehbar gelagerten Rädern, einen Wagenkasten, der um eine Fahrzeughochachse drehbar gelagert an dem Drehgestell befestigt ist, und mindestens eine zwischen dem Wagenkasten und dem Drehgestell angeordnete, erfindungsgemäße Luftfeder. Dabei gelten Merkmale, Details und Vorteile, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Luftfeder beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Schienenfahrzeug und jeweils umgekehrt, so dass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann.
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Indem die Luftfeder zwischen dem Wagenkasten und dem Drehgestell angeordnet ist, wirken auf die Luftfeder Kräfte, sofern es zu einer relativen Bewegung zwischen dem Wagenkasten und dem Drehgestell kommt. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Luftfeder ist es möglich, dass für verschiedene, relative Bewegungsrichtungen zwischen dem Wagenkasten und dem Drehgestell unterschiedliche Steifigkeiten vorgesehen sind, die entsprechend unterschiedlich hohe Reaktionskräfte hervorrufen. Somit kann die mindestens eine Luftfeder dazu dienen, dass der Wagenkasten einem möglichst geringen Wanken bzw. einer möglichst geringen Drehbewegung um eine Fahrzeuglängsachse unterliegt. Hingegen können relative Bewegungen zwischen dem Wagenkasten und dem Drehgestell in Fahrzugslängsrichtung besonders geringe Reaktionskräfte hervorrufen, indem eine entsprechende Steifigkeit besonders klein gewählt ist. Einerseits wird deshalb mit dem geringen Wanken die Fahrsicherheit gewährleistet und andererseits bietet die geringe Steifigkeit in Fahrzeuglängsrichtung einen hohen Fahrkomfort.
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Eine bevorzugte Ausgestaltung des Schienenfahrzeugs zeichnet sich dadurch aus, dass als die mindestens eine Luftfeder mindestens ein Paar von zwei Luftfedern vorgesehen ist, und die Luftfedern eines jeden Paars in Fahrzeugquerrichtung voneinander beabstandet und zu einer Fahrzeuglängsachse spiegelsymmetrisch ausgebildet sind. So kann der erste Kragen einer jeden Luftfeder zu einer äußeren Querseite des Schienenfahrzeugs hin ausgerichtet angeordnet sein. Der zweite Kragen einer jeder Luftfeder ist entsprechend gegenüberliegend zu dem zugehörigen, ersten Kragen angeordnet. Kommt es nun zu einer Querbewegung des Wagenkastens relativ zu dem Drehgestell, wird diese Bewegung durch den ersten Kragen einer ersten Luftfeder des Luftfederpaars und durch den zweiten Kragen der zweiten Luftfeder des Luftfeder Paars gehindert. Die Längserstreckungslänge des genannten, ersten Kragens ist jedoch größer als die Längserstreckungslänge des genannten, zweiten Kragens. Somit dominiert der genannte, erste Kragen die Begrenzung der zuvor erläuterten Relativbewegung zwischen dem Wagenkasten und dem Drehgestell. Die übrigen Kragen des Luftfederpaars haben also nur einen deutlich kleineren Einfluss auf die Begrenzung der zuvor erläuterten Querbewegung. Kommt es nun zu einer Verdrehung des Wagenkastens um eine Fahrzeughochachse zu dem Drehgestell, verformen sich die Luftfederbalge der Luftfedern. Dabei verhindert der genannte, erste Kragen ein Wanken des Wagenkastens. Indem die übrigen Kragen einen deutlichen kleineren Einfluss auf die Begrenzung der zuvor erläuterten Bewegung haben, verhindern die übrigen Kragen nicht die gewünschte Verdrehung des Wagenkastens um eine Fahrzeughochachse zu dem Drehgestell. Das Schienenfahrzeug kann deshalb besonders komfortabel und zugleich sicher einer kurvigen Spur folgen.
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Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:
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1 die Luftfeder in einer schematischen Querschnittsdarstellung,
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2 die Luftfeder in einer schematischen Draufsicht,
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3 einen Ausschnitt eines Schienenfahrzeugs in einer schematischen Seitenansicht, und
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4 das Schienenfahrzeug in einer schematischen Querschnittsdarstellung.
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Aus der Figur ist die Luftfeder 2 in einem schematischen Querschnitt zu erkennen. Die Luftfeder 2 weist eine zylindrische Felge 6, eine zylindrische Grundplatte 8 und einen sich zwischen der Felge 6 und der Grundplatte 8 erstreckenden, elastischen, ringförmigen Luftfederbalg 10 auf. Aufgrund seiner ringförmigen Ausgestaltung weist der Luftfederbalg 10 an seiner Oberseite und an seiner Unterseite jeweils einen umlaufenden Befestigungsrand 14, 16 auf. Die Befestigungsränder 14, 16 werden jeweils auch als Befestigungswulst bezeichnet. Der untere Befestigungsrand 16 ist an der Felge 6 befestigt. Der obere Befestigungsrand 14 ist an der Grundplatte 8 befestigt. Dazu wird der obere Befestigungsrand 14 zwischen einen ringförmigen Wulstring 18 und die Grundplatte 8 gesteckt, um daraufhin durch ein Fest schrauben des Wulstrings 18 mit der Grundplatte 8 eingeklemmt werden. Der Wulstring 18 ist für gewöhnlich am radial äußeren Abschnitt an einer Unterseite der Grundplatte 8 angebracht. Somit wird der obere Befestigungsrand 14 des Luftfilterbalgs 10 zwischen einer Unterseite der Grundplatte 8 und einer Oberseite des Wulstrings 18 eingeklemmt.
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Indem der Luftfederbalg 10, wie zuvor erläutert, mit seinem unteren Befestigungsrand 16 an der Felge 6 und mit seinem oberen Befestigungsrand 14 an der Grundplatte 8 befestigt wird, bildet sich ein von der Felge 6, der Grundplatte 8 und dem Luftfederbalg 10 begrenzter Luftfederkammer 12 aus. Um mittels der Luftfeder 2 einen Wagenkasten und ein Drehgestell eines Schienenfahrzeugs federnd miteinander zu verbinden, weist die Grundplatte 8 an ihrer Oberseite ein Befestigungselement 30, insbesondere ein Befestigungsstutzen, und die Felge 6 an ihrer Unterseite einen Befestigungsflansch 32 auf.
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Wirkt zwischen der Grundplatte 8 und der Felge 6 eine Kraft in Längsrichtung L der Luftfeder 2, so wird die von der Luftfederkammer 12 aufgenommene Luft komprimiert. Der zuvor genannten Kraft in Längsrichtung L wird also eine Reaktionskraft entgegengesetzt, die ein Zusammentreffen der Grundplatte 8 und der Felge 6 verhindert.
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Kommt es zu einer relativen Verschiebung zwischen der Grundplatte 8 und der Felge 6 entlang einer Querachse Q der Luftfeder 2, so wird die von der Luftfeder 12 aufgenommene Luft ebenfalls komprimiert, woraufhin entsprechende Reaktionskräfte der Relativbewegung entgegenwirken. Weitere Aspekte der Erfindung werden aus der Zusammenschau der 1 und 2 ersichtlich. In der Praxis hat es sich als wünschenswert und vorteilhaft erwiesen, wenn die Reaktionskräfte auf eine entsprechende, relative Bewegung in positiver Richtung der Querachse Q kleiner oder größer sind als die Reaktionskräfte auf eine entsprechende, relative Bewegung in negativer Richtung der Querachse Q. Um dies zu gewährleisten, ist es vorgesehen, dass von dem Wulstring 18 an seiner von der Grundplatte 8 abgewandten Seite vorzugsweise zwei sich in Längsrichtung L – also in Richtung der Felge 6 – erstreckende, ringabschnittsförmige Kragen 20, 22 ausgebildet sind. Die beiden Kragen 20, 22 sind also jeweils nur über einen begrenzten Ringabschnitt des ringförmigen Wulstrings 18 ausgebildet. Außerdem ragen die beiden Kragen 20, 22 jeweils radial außenseitig zumindest teilweise über den Luftfederbalg 10.
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Kommt es nun zu einer Bewegung der Felge 6 in positiver Richtung R1 einer Hauptquerachse Q1 relativ zu der Grundplatte 8, wird eine Querausdehnung des Luftfederbalgs 10 durch den ersten Kragen 20 begrenzt. Denn dieser ragt radial außenseitig derart über den Luftfederbalg 10, dass sich dieser nicht in positiver Richtung R1 ungehindert ausdehnen und/oder aufblähen kann. Somit wird die Luft in der Luftfederkammer 12 bereits bei einer kleinen Bewegung der zuvor genannten Art komprimiert, womit entsprechende Reaktionskräfte entstehen.
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Wird die Felge 6 hingegen in negativer Richtung R2 einer Hauptquerachse Q1 relativ zu der Grundplatte 8 bewegt, wird eine Querausdehnung des Luftfederbalgs 10 durch den zweiten Kragen 22 weniger stark begrenzt, als es zuvor mit Bezug auf den ersten Kragen 20 und der Bewegung in positiver Richtung R1 erläutert wurde. Korrespondierend kommt es in der Luftfederkammer 12 zu einer weniger starken Komprimierung der Luft womit auch entsprechend kleinere Reaktionskräfte entstehen. Wie aus den 1 und 2 ersichtlich ist, setzt ein derartiges Verhalten der Luftfeder 2 jedoch voraus, dass der erste Kragen 20 und der zweite Kragen 22 einander gegenüberliegend angeordnet sind. Sodann weist die Luftfeder 2 entlang einer Hauptquerachse Q1 unterschiedliche Steifigkeiten aufweist, und zwar in Abhängigkeit der Richtung der Relativbewegung zwischen der Felge 6 und der Grundplatte 8.
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Aus der 2 ist darüber hinaus ersichtlich, dass es vorgesehen ist, dass sich die Kragen 20, 22 nicht derart hintereinander anschließen, dass ein ringförmiger Kragen entsteht. Vielmehr ist es vorgesehen, dass zwischen den beiden Kragen 20, 22 kragenfreie Abschnitte 24 vorgesehen sind. Die Kragen 20, 22 und die kragenfreien Abschnitte 24 wechseln sich in Umfangsrichtung des Wulstrings 18 ab. Mit anderen Worten folgt umlaufen auf jeden Kragen 20 bzw. 22 ein kragenfreier Abschnitt 24 und auf jeden kragenfreien Abschnitt 24 wieder der andere Kragen 22 bzw. 20. Somit sind die kragenfreien Abschnitte 24 auch gegenüberliegend zueinander angeordnet.
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Kommt es zu einer Relativbewegung zwischen der Felge 6 und der Grundplatte 8 entlang einer Nebenquerachse Q2, die sich zwischen den gegenüberliegend angeordnete, kragenfreien Abschnitten 24 erstreckt, wird der Luftfederbalg 10 sich in positiver Richtung R3 oder in negativer Richtung R4 der Nebenquerachse Q2 ausdehnen. Da sich die beiden, zu den Abschnitten 24 angrenzenden Kragen 20, 22 sich jeweils über einen Bogenwinkel b1 bzw. b2 von 45 Grad bis 120 Grad erstrecken, wird die Ausdehnung des Luftfederbalgs durch die beiden Kragen 20, 22 nicht gehindert. Deshalb weist die Luftfeder 2 entlang der Nebenquerachse Q2, und zwar unabhängig von einer Richtung R3, R4 der relative Bewegung zwischen der Felge 6 und der Grundplatte 8, eine weitere Steifigkeit auf. Insgesamt sind für die Luftfeder folglich drei unterschiedlich große, richtungsabhängige Steifigkeiten vorgesehen.
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Aus der Zusammenschau der 3 und 4 ist ein Schienenfahrzeug 4 mit einem Wagenkasten 34 und einem Drehgestell 36 zu erkennen. Das Drehgestell 36 dient als Fahrwerk für das Schienenfahrzeug 4. Dazu weist das Drehgestell 36 zwei Achsen 38 auf, an denen jeweils ein Radsatz 40 gelagert befestigt ist. Der Wagenkasten 34 ist um eine Fahrzeughochachse H, die vereinfacht auch als Hochachse bezeichnet wird, drehbar gelagert an dem Drehgestell 36 befestigt. Außerdem sind zwischen dem Wagenkasten 34 und dem Drehgestell 36 jeweils ein Paar von zwei Luftfedern 2 vorgesehen, die in Fahrzeugquerrichtung A voneinander beanstandet und zu einer Fahrzeuglängsachse F spiegelsymmetrisch ausgebildet sind. Für gewöhnlich weist das Schienenfahrzeug 4 einen Wagenkasten 34 und zwei daran gelagert befestigte Drehgestelle 36 auf. Zur einfacheren Erörterung, wird im Folgenden der Zusammenhang zwischen einem Drehgestell 36 und dem Wagenkasten 34 erörtert. Für das weitere Drehgestell 36 und den Wagenkasten 34 gelten selbstverständlich analoge Überlegungen, insbesondere Merkmale und Vorteile.
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Sofern das Schienenfahrzeug 4 einer kurvigen Spur 42 folgt, kommt es zu einer relativen Verdrehung zwischen dem Wagenkasten 34 und dem Drehgestell 36 um die Fahrzeughochachse H. In diesem Fall verlieren die Luftfeder 2 eines jeden Paares ihre symmetrische Ausrichtung zu der Fahrzeuglängsachse F. Denn die Grundplatte 8 einer jeden Luftfeder 2 ist fest mit dem Wagenkasten 34 und die zugehörige Felge 6 fest mit dem Drehgestell 36 verbunden, und umgekehrt.
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Für die weitere Erläuterung wird angenommen, dass der erste Kragen 20 einer jeden Luftfeder 2 des Luftfederpaars zu einer benachbarten äußeren Querseite des Wagenkastens 34 hin ausgerichtet ist. Somit zeigen die beiden, zweiten Kragen 22 zueinander bzw. zu einer Drehachse, um die sich das Drehgestell 36 zu dem Wagenkasten 34 drehen kann.
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Dreht sich das Drehgestell 36 um die Fahrzeughochachse H des Schienenfahrzeugs 4 relative zu dem Wagenkasten 34, werden die Luftfederbalge 10 zu der mittig angeordneten Fahrzeuglängsachse F hin und in positiver bzw. negativer Richtung der Fahrzeuglängsachse F ausgedehnt. Eine Ausdehnung der Luftfederbalge 10 zu einer äußeren Querseite des Wagenkastens 34 erfolgt jedoch nicht. Somit wird die Ausdehnung der Luftfederbalge 10 nicht durch die beiden ersten Kragen 20 begrenzt. Zwar erfolgt eine betragsmäßig deutlich geringere Begrenzung der Ausdehnung der Luftfederbalge 10 durch die beiden jeweils gegenüberliegend angeordneten Kragen 22, jedoch ist diese Begrenzung aufgrund ihrer geringeren Auswirkung nicht maßgeblich beeinträchtigend für das Schienenfahrzeug, um der Spur 42 zu folgen.
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Würde der Wagenkasten 34 beispielsweise auf gerader Strecke um die Fahrzeuglängsachse F ins Wanken kommen, begrenzen die jeweils ersten Kragen 20 eine Querausdehnung der Luftfederbalge 10, was das Wanken verhindert oder stark dämpft. Indem zu jedem der ersten Kragen 20 ein zweiter Kragen 22 gegenüberliegend angeordnet ist, wird die Querausdehnung der Luftfederbalge 10 zu einer äußeren Querseite des Wagenkasten 34 also stark begrenzt, was zu einem sicheren Fahrverhalten des Schienenfahrzeugs 4 führt. Insbesondere bei einer Einfahrt in einen Tunnel ist es wichtig, dass der Wagenkasten 34 keiner zu großen Querneigung unterliegt. Dies kann mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Schienenfahrzeugs 4 und der Anordnung der erfindungsgemäßen Luftfedern 2 zwischen dem Drehgestell 36 und dem Wagenkasten 34 gewährleistet werden. Die Begrenzung des Wankens bleibt auch bei einer Kurvenfahrt erhalten.
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Eine Nebenquerachse, die sich zwischen den kragenfreien Abschnitten 24 einer jeden Luftfeder 2 erstreckt, ist bei einem Schienenfahrzeug 4 entlang der Fahrzeuglängsachse F bzw. einer Längsachse des Wagenkastens 34 ausgerichtet. Wird das Schienenfahrzeug nun beschleunigt oder bremst das Schienenfahrzeug ab, also mit einer negativen Beschleunigung, treten Kräfte in Fahrzeuglängsrichtung F zwischen der Felge 6 und der Grundplatte 8 auf. Als Folge verformt sich der jeweils zugehörige Luftfederbalg 10. Der jeweilige Luftfederbalg wird jedoch nicht an einer Verformung gehindert, da die Nebenquerachse, bestimmt durch die kragenfreien Abschnitte, in Fahrzeuglängsrichtung zeigt. Beschleunigungsbewegungen in Fahrzeuglängsrichtung F können durch die Luftfeder 2 also gut gedämpft werden.
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Bezugszeichenliste
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- A
- Fahrzeugquerachse
- b1
- Bogenwinkel
- b2
- Bogenwinkel
- F
- Fahrzeuglängsachse
- H
- Fahrzeughochachse
- L
- Längsrichtung der Luftfeder
- k1
- erste Längserstreckungslänge
- k2
- zweite Längserstreckungslänge
- Q
- Querachse
- Q1
- Hauptquerachse
- Q2
- Nebenquerachse
- R1
- positive Richtung
- R2
- negative Richtung
- R3
- positive Richtung
- R4
- negative Richtung
- 2
- Luftfeder
- 4
- Schienenfahrzeug
- 6
- Felge
- 8
- Grundplatte
- 10
- Luftfederbalg
- 12
- Luftfederkammer
- 14
- obere Befestigungsrand
- 16
- untere Befestigungsrand
- 18
- Wulstring
- 20
- erster Kragen
- 22
- zweiter Kragen
- 24
- kragenfreier Abschnitt
- 30
- Befestigungselement
- 32
- Befestigungsflansch
- 34
- Wagenkasten
- 36
- Drehgestell
- 38
- Achse
- 40
- Radsatz
- 42
- Spur
