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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Federung, vorzugsweise eine Fahrzeugfederung, besonders vorzugsweise eine Schienenfahrzeugfederung, sowie ein Fahrzeug mit einer derartigen Federung.
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Bekannt sind Schienenfahrzeugfederungen mit einer Luftfeder, welche zwischen Karosserie bzw. Wagenkasten und Fahrwerk bzw. Fahrschemel eines Schienenfahrzeugs angeordnet sind. Derartige Schienenfahrzeugfederungen weisen eine Felge und eine der Felge gegenüberliegende Oberplatte auf, wobei die Felge mit einer Gleitplatte versehen ist und Felge und Oberplatte so angeordnet sind, dass bei einem Ausfall der Luftfeder die Gleitplatte und die Oberplatte aneinander bzw. aufeinander liegen und so die Karosserie am Fahrschemel abgestützt ist.
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Derartige Schienenfahrzeugfederungen weisen üblicherweise eine Luftfeder als Hauptfeder und eine Gummifeder oder Blockfeder als Notfeder auf. Hauptfeder und Notfeder sind zwischen Wagenkasten und Fahrschemel des Fahrzeuges so angeordnet, dass bei einem Ausfall der Hauptfeder die Karosserie am Fahrwerk durch die Notfeder abgestützt wird und die Abstützung über gegenüberliegende zusammenwirkende karosserieseitige und fahrgestellseitige Auflage- und Gleitflächen bzw. Gleitplatten/Gleitelemente erfolgt. Diese Gleitplatten sorgen dann für eine verminderte Reibung und für eine problemlose Abstützung im Notlaufbetrieb.
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Hierzu offenbart die
EP 1 644 234 B1 eine zentrierende Notfederabstützung für eine Luftfeder, bei der die über die Luftfeder verbundenen Balgfelgen Führungsnuten aufweisen, die bei Auflage des Wagenkastens auf der Notfeder/Zusatzfeder einen seitlichen Versatz des Wagenkastens in Bezug auf das Fahrgestell verhindern sollen. Die einander zugeneigten Flächen der Führungsnuten und ihrer Gegenstücke sind mit Gleitelementen versehen, um bei Verdrehungen oder Querverschiebungen des Wagenkastens relativ zum Fahrgestell die Reibung zu vermindern.
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Bei derartigen Federungen stellt die laterale, d.h. die seitliche, Steifigkeit eine wichtige Größe im Betrieb der Federung dar. Insbesondere bei der Verwendung von Luftfedersystemen, insbesondere bei Schienenfahrzeugen, kann die laterale Steifigkeit eine wichtige Größe bei der Gewährleistung der Fahrstabilität sein.
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Die laterale Steifigkeit ist jedoch konstruktiv vorgegeben und somit unveränderlich. Die Federung ist also mit einer bestimmten lateralen Steifigkeit so auszulegen, dass die festgelegte laterale Steifigkeit möglichst gut zum Anwendungsfall passt, d.h. möglichst gut zu dem Objekt, welches mit einer derartigen Federung gefedert bzw. gelagert werden soll. Bei hiervon abweichenden Betriebszuständen ist eine nicht-optimale laterale Steifigkeit zu akzeptieren.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Federung, vorzugsweise eine Fahrzeugfederung, besonders vorzugsweise eine Schienenfahrzeugfederung, der eingangs beschriebenen Art bereit zu stellen, so dass die laterale Steifigkeit der Federung besser auf den jeweiligen Anwendungsfall abgestimmt werden kann. Dies soll möglichst einfach, bauraumsparend, kostengünstig und bzw. oder verlässlich erfolgen können. Zumindest soll eine Alternative zu den bekannten Möglichkeiten zur Verfügung gestellt werden.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Federung sowie durch ein Fahrzeug mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Somit betrifft die vorliegende Erfindung eine Federung, vorzugsweise eine Fahrzeugfederung, besonders vorzugsweise eine Schienenfahrzeugfederung, mit einer Luftfeder mit einem Luftfederbalg, welcher zwischen einer Gleitplatte und einer Oberplatte angeordnet ist, wobei die Luftfeder ausgebildet ist, zwischen zwei schwingungstechnisch zu dämpfenden Körpern, vorzugsweise zwischen einem Fahrgestell und einer Karosserie eines Fahrzeugs, in Reihe angeordnet zu werden.
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Die Federung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Gleitplatte der Luftfeder metallisch ausgebildet ist und die Oberplatte wenigstens einen Elektromagneten aufweist, welcher ausgebildet und eingerichtet ist, anziehende und abstoßende magnetische Kräfte auf die Gleitplatte auszuüben. Alternativ kann umgekehrt die Oberplatte der Luftfeder metallisch ausgebildet sein und die Gleitplatte wenigstens einen Elektromagneten aufweisen, welcher ausgebildet und eingerichtet ist, anziehende und abstoßende magnetische Kräfte auf die Gleitplatte auszuüben.
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In jedem Fall kann die Gleitplatte bzw. die Oberplatte abschnittsweise oder vollständig ein Metallelement aufweisen bzw. ein Metallelement sein oder auch aus Kunststoff mit metallischer Beimischung ausgebildet sein. Die Gleitplatte kann ein Gleitelement aufweisen, welches in einer entsprechenden Aufnahme der Gleitplatte, d.h. in einer Gleitelementaufnahme bzw. von einem Gleitelementträger, aufgenommen, d.h. gehalten, wird. Entsprechend kann das Gleitelement und bzw. oder die Gleitelementaufnahme bzw. der Gleitelementträger metallisch, d.h. aus Metall oder mit einer metallischen Beimischung, ausgebildet sein.
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In jedem Fall kann auf diese Art und Weise eine elektromagnetische Kraft zwischen Gleitplatte und Oberplatte der Federung erzeugt werden. Je nach Speisung bzw. Polung des Elektromagneten kann diese elektromagnetische Kraft anziehend oder abstoßend wirken. Über die Stromstärke der Speisung des Elektromagneten kann die Stärke der elektromagnetischen Kraft beeinflusst werden.
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Der vorliegenden Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, dass zwischen Elektromagnet und metallischem Gegenüber auf diese Art und Weise Kräfte erzeugt werden können, welche die laterale Steifigkeit der Federung beeinflussen können. Entsprechend kann die laterale Steifigkeit der Federung im Betrieb geändert werden, was statisch, d.h. auf einen vorbestimmten Wert, oder dynamisch, d.h. sich während der Nutzung und insbesondere während des Fährbetriebs kontinuierlich ändernd, erfolgen kann.
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In jedem Fall kann hierdurch die laterale Steifigkeit der Federung besser auf den jeweiligen Anwendungsfall abgestimmt werden als dies bisher durch eine konstruktive feste Auslegung möglich ist. Insbesondere kann eine Veränderung der lateralen Steifigkeit der Federung im Betrieb erfolgen.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung weist die Federung eine Steuerungseinheit auf, welche ausgebildet und eingerichtet ist, den Elektromagneten zur Erzeugung der anziehenden und abstoßenden magnetischen Kräfte zu betreiben, wobei die Steuerungseinheit ferner ausgebildet und eingerichtet ist, mittels der anziehenden und abstoßenden magnetischen Kräfte eine vorbestimmte laterale Steifigkeiten der Luftfeder zu erzeugen. Dies kann eine konkrete Möglichkeit der Umsetzung darstellen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist die Federung eine Auswerteeinheit auf, welche ausgebildet und eingerichtet ist,
- • wenigstens einen Betriebsparameter, vorzugsweise die angelegte Spannung, des Elektromagneten zu erhalten und
- • basierend auf dem erhaltenen Betriebsparameter des Elektromagneten wenigstens einen Parameter eines Objekts, vorzugsweise eines Fahrzeugs, besonders vorzugsweise eines Schienenfahrzeugs, welche die Federung verwendet, zu bestimmen.
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Dies kann es ermöglichen, entsprechende Rückschlüsse aus dem Betrieb des Elektromagneten auf das Betriebsverhalten der Federung bzw. des gefederten Objekts zu ziehen. Diese Erkenntnisse können auch zum Betrieb der Federung genutzt werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist die Federung eine Zusatzfeder mit einem Elastomerkörper auf, welcher zwischen einem Innenkörper und einem Außenkörper angeordnet ist, wobei die Gleitplatte der Luftfeder und der Außenkörper der Zusatzfeder feststehend miteinander verbunden sind, wobei die Zusatzfeder ausgebildet ist, zwischen der Luftfeder und dem einen schwingungstechnisch zu dämpfenden Körper, vorzugsweise dem Fahrgestell des Fahrzeugs, in Reihe angeordnet zu werden. Hierdurch können die Eigenschaften und Vorteile einer Zusatzfeder auch bei der erfindungsgemäßen Federung genutzt werden.
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Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Fahrzeug, vorzugsweise ein Schienenfahrzeug, mit wenigstens einer Federung wie zuvor beschrieben. Hierdurch kann eine Umsetzung und Nutzung der erfindungsgemäßen Federung bei einem Fahrzeug erfolgen.
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Mit anderen Worten liegt der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, dass bei der Verwendung von Luftfedersystemen, insbesondere bei Schienenfahrzeugen, die laterale Steifigkeit eine wichtige Größe bei der Gewährleistung der Fahrstabilität sein kann. Für den Anwender bzw. für den Betreiber eines Schienenfahrzeugs kann es daher vorteilhaft sein, die laterale Steifigkeit der Luftfeder auch während des Betriebs bzw. des Fahrbetriebs verändern zu können. Dies ist bisher nicht möglich bzw. nicht bekannt.
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Es soll daher eine Möglichkeit geschaffen werden, während des Betriebs bzw. des Fahrbetriebes die lateralen Steifigkeit einer Luftfeder bzw. eines Gürtelbalges (Sekundärfederung) zu verändern.
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Der Kerngedanke der vorliegenden Erfindung beruht auf der Veränderung der lateralen Steifigkeit eines Luftfedersystems durch Anlegen eines Magnetfeldes. Ein in die Oberplatte des Luftfedersystems integrierter Elektromagnet hat als Gegenpart den metallischen Gleitplattenträger der Zusatzfeder. Bei Stromfluss durch den Elektromagnet in der Oberplatte wird eine elektromagnetische Kraft auf den Gleitplattenträger erzeugt, welche sich unterhalb der Oberplatte befinden. Die Oberplatte und damit der Wagenkasten kann so an seiner lateralen Bewegung behindert werden, was in diesem Fall gleichbedeutend mit einer Veränderung der lateralen Steifigkeiten des Luftfedersystems ist.
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Der integrierte Elektromagnet kann unterschiedliche geometrische Formen annehmen. Es wäre auch denkbar den Magnet auf der Gegenseite (Gleitplattenträger, Zusatzfeder) anzubringen.
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In jedem Fall kann vorteilhafter Weise die Veränderung der lateralen Steifigkeiten des Wagenkastens auch während des Betriebes erfolgen. Die eigentliche Sekundärfeder kann weitgehend unverändert bleiben. Die Auswertung der angelegten Feldstarke kann Rückschlüsse auf die Fahrdynamik ermöglichen.
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Ein Ausführungsbeispiel und weitere Vorteile der Erfindung werden nachstehend im Zusammenhang mit den folgenden Figuren erläutert. Darin zeigt:
- 1 eine seitliche schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Fahrzeugs am Beispiel eines Schienenfahrzeugs; und
- 2 eine schematische Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Federung am Beispiel einer Schienenfahrzeugfederung.
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Die Beschreibung der o.g. Figuren erfolgt in kartesischen Koordinaten mit einer Längsrichtung X, einer zur Längsrichtung X senkrecht ausgerichteten Querrichtung (nicht dargestellt) sowie einer sowohl zur Längsrichtung X als auch zur Querrichtung senkrecht ausgerichteten vertikalen Richtung Z. Die Längsrichtung X kann auch als Tiefe X, die Querrichtung auch als Breite und die vertikale Richtung Z auch als Höhe Z bezeichnet werden. Die Längsrichtung X und die Querrichtung bilden gemeinsam die Horizontale, welche auch als horizontale Ebene bezeichnet werden kann. Die Längsrichtung X, die Querrichtung und die vertikale Richtung Z können gemeinsam auch als Raumrichtungen X, Z bzw. als kartesische Raumrichtungen X, Z bezeichnet werden.
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Eine erfindungsgemäße Federung 2 wird als Fahrzeugfederung 2 am Beispiel einer Schienenfahrzeugfederung 2 betrachtet. Die Schienenfahrzeugfederung 2 ist in der vertikalen Richtung Z zwischen einem Fahrgestell 10, auch Fahrschemel 10 genannt, und einer Karosserie 11 eines Fahrzeugs 1 angeordnet. Das Fahrzeug 1 wird am Beispiel eines Schienenfahrzeugs 1 bzw. eines Kurzstreckentriebwagens 1 betrachtet, siehe 1.
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Die Schienenfahrzeugfederung 2 weist, in der vertikalen Richtung Z von unten anfangend betrachtet, eine Fahrgestellbefestigung 20 auf, welche mit dem Fahrgestell 10 des Schienenfahrzeugs 1 verbunden ist. Auf der Fahrgestellbefestigung 20 drauf ist eine Zusatzfeder 21 angeordnet, welche einen metallischen Innenkörper 21a in Form eines metallischen Innenkegels 21a, an diesem anvulkanisiert einen Elastomerkörper 21b und hieran anvulkanisiert einen metallischen Außenkörper 21 c in Form einer metallischen Felge 21 c aufweist.
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Mit dem Außenkörper 21c der Zusatzfeder 21 ist in der vertikalen Richtung Z eine metallische Gleitplatte 22 feststehend verbunden, welche eine Aufnahme 22a bzw. einen Träger 22a, auch als Gleitelementaufnahme 22a bzw. als Gleitelementträger 22a zu bezeichnen, mit einem dort aufgenommenen Gleitelement 22b aufweist. Ferner ist radial ein Rand (nicht bezeichnet) eines Luftfederbalgs 23 an dem Außenkörper 21c der Zusatzfeder 21 feststehend angeordnet. An dem anderen Ende des Luftfederbalgs 23 bzw. an dessen anderem Rand (nicht bezeichnet) ist eine metallische Oberplatte 24 feststehend angeordnet. Der Luftfederbalg 23, die Zusatzfeder 21 und die Oberplatte 24 schließen luftdicht ein Innenvolumen 23a des Luftfederbalgs 23 ein, welches mittels eines Luftanschlusses 25 von außen zugänglich ist, um die Luftmenge innerhalb des Luftfederbalgs 23 zu erhöhen und zu reduzieren.
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An bzw. in der Oberplatte 24 ist ein Elektromagnet 26 angeordnet. Der Elektromagnet 26 ist axial zur Gleitplatte 22 bzw. zur Zusatzfeder 21 ausgerichtet. Der Elektromagnet 26 ist mit einer Steuerungseinheit 27 sowie mit einer Auswerteeinheit 28 verbunden, so dass der Elektromagnet 26 von der Steuerungseinheit 27 gespeist und betrieben sowie die Betriebsparameter des Elektromagneten 26 von der Auswerteeinheit 28 ausgewertet werden können. Die Stärke des Magnetfelds, welches vom Elektromagneten 26 erzeugt werden kann, kann somit von der Steuerungseinheit 27 mittels der Amplitude des elektrischen Stroms beeinflusst werden.
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Entsprechend kann bei der Nutzung bzw. im Betrieb der Federung 2 seitens der Steuerungseinheit 27 eine elektromagnetische Kraft zwischen dem Elektromagneten 26 und der Gleitplatte 22 erzeugt werden, welche je nach Polung des elektrischen Stroms anziehend oder abstoßend sein kann. Hierdurch kann die laterale Steifigkeit der Federung 2 beeinflusst und verändert werden.
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Bezugszeichenliste (Teil der Beschreibung)
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- X
- Längsrichtung; Tiefe
- Z
- vertikale Richtung; Höhe
- 1
- Fahrzeug; Schienenfahrzeug; Kurzstreckentriebwagen
- 10
- Fahrgestell; Fahrschemel
- 11
- Karosserie
- 2
- Federung; Fahrzeugfederung; Schienenfahrzeugfederung
- 20
- Fahrgestellbefestigung
- 21
- Zusatzfeder
- 21a
- Innenkörper bzw. Innenkegel der Zusatzfeder 21
- 21b
- Elastomerkörper der Zusatzfeder 21
- 21c
- Außenkörper bzw. Felge der Zusatzfeder 21
- 22
- Gleitplatte
- 22a
- Aufnahme der Gleitplatte 22 bzw. Träger der Gleitplatte 22 für Gleitelement 22b; Gleitelementaufnahme; Gleitelementträger
- 22b
- Gleitelement der Gleitplatte 22
- 23
- Luftfederbalg
- 23a
- Innenvolumen des Luftfederbalgs 23
- 24
- Oberplatte
- 25
- Luftanschluss
- 26
- Elektromagnet
- 27
- Steuerungseinheit
- 28
- Auswerteeinheit
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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