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Gesteuertes Federsystem für Fahrzeuge, insbesondere Schienenfahrzeuge
Bei der konstruktiven Entwicklung von Federsystemen, sofern sie für den Fahrzeugbau
und insbesondere für Schienenfahrzeuge im Personenverkehr bestimmt sind, entsteht
in neuerer Zeit in zunehmendem Maße das Bedürfnis, Federn und Federsysteme zu verwenden,
die einen außergewöhnlichen Weichheitsgrad aufweisen. Typische Federn dieses Verwendungszweckes
sind z. B. die in neuerer Zeit in zunehmendem Maße zur Anwendung kommenden Gummi-
und Luft- bzw. Gasfedern, aber auch sehr weiche Metallfedern. Der Entwicklung sehr
weicher Federn mit demzufolge sehr niedrigen Schwingfrequenzen (z. B. unter 1 Hz)
steht jedoch häufig die Notwendigkeit entgegen, für die Verarbeitung von außen kommender
Impulse, seien sie von der Fahrbahn oder auch vom abgefederten Fahrzeugteil herrührend,
die für die Lagekorrektur des Fahrzeuges notwendigen Rückstellkräfte zu erhalten.
Diese Kräfte nehmen mit flacher werdenden Federkennlinien (Federkraft über Federweg
aufgetragen) zwangläufig ab.
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Es sind nun Federsysteme bekannt, die mit hintereinandergeschalteten
Federn verschiedener Charakteristik arbeiten und die im mittleren Bereich eine weiche
und in den äußeren Bereichen eine härtere Kennlinie zu erreichen gestatten. Es sind
auch Federsysteme, insbesondere Gas- sowie Gummifedern bekannt;-die eine Lagekorrektur
des abgefederten Fahrzeugteiles ermöglichen. Bei neueren Luftfedersystemen dieser
Art wird durch Zupumpen und Ablassen von Luft zu diesem Zweck der Druckpegel in
der Feder verändert: Schließlich sind auch Systeme bekannt, bei denen in den Kraftfiuß
vom unabgefederten Teil über die Feder zum abgefederten Teil Distanzkorrekturglieder
eingeschaltet sind, die bei Veränderung der Nutzlast und demzufolge Veränderung
der Pfeilhöhe der Feder die Normallage des abgefederten Teiles wiederherstellen.
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Alle diese Vorrichtungen enthalten jedoch nicht die durch die Erfindung
geschaffene Möglichkeit, die Rückstehkraft eines Federsystems über das durch seine
Kennlinien gegebene Maß hinaus so zu verstärken, daß bei sehr weichen Federn und
damit sehr geingen Rückstellkräften eine ausreichend schnelle Lagekorrektur nach
einer Federbewegung erfolgen kann. Erfindungsgemäß wird diese Rückstellkraftverstärkung
bei einem Federsystem, dem ein Schwingungsdämpfer zugeordnet ist, sowohl in der
positiven wie in der negativen Richtung dadurch erreicht, daß dem Schwingungsdämpfer
fortlaufend Fremdenergie zugeführt wird. Die Fremdenergie kann dem Schwingungsdämpfer
beispielsweise mittels Drucköl zugeführt werden. Außer der Lagekorrektur des abgefederten
Fahrzeugteiles wird durch diese Vorrichtung infolge des Zusammenbaues mit einem
Stoßdämpfer eine der Fremdenergiezufuhr entsprechend größere Dämpferwirkung dadurch
erreicht, daß auch bei langsamen Schwingungen als Folge der Zufuhr von Fremdenergie
größere Dämpferkräfte erzeugt werden. Demzufolge kann eine bestimmte notwendige
Dämpferwirkung mit kleineren und damit billigeren handelsüblichen Stoßdämpfern erreicht
werden.
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Das Prinzip einer solchen Einrichtung wird an Hand von drei Ausführungsbeispielen
näher erläutert: In dem ersten Beispiel (Abb. 1 bis 4) ist die Rückstellvorrichtung
mit einem hydraulischen` Stoßdämpfer veranschaulicht. Hierbei wird die bei dem Rückstellvorgang
zu leistende Dämpfungsarbeit, da sie von der Feder selbst wegen ihrer weichen Charakteristik
nicht aufgebracht werden kann, von einer nur im Belastungsfalle arbeitenden und
in der Mittelstellung leer mitlaufenden Flüssigkeitsdruckpumpe geliefert.
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Die Abb. 1 zeigt die Anordnung einer hydraulischen Rückstellvorrichtung,
wie sie in Verbindung mit einem der üblichen hydraulischen, geschwindigkeitsabhängig
arbeitenden Stoßdämpfer, der parallel zur Feder geschaltet ist, bei einem Schienenfahrzeug
angewendet werden kann. Der Fahrzeugrahmen 1 ist über die Federn 2 auf den Radachsen
mit den Rädern 3 elastisch in bekannter Weise abgestützt. Parallel zu den Federn
2 sind Stoßdämpfer 4 in üblicher Weise angeordnet. Solche Stoßdämpfer sind jedoch,
wenn sie nur in der herkömmlichen Form angebaut und verwendet werden, nur in der
Lage;
eine von der Geschwindigkeit der Federbewegung abhängige dämpfende
Wirkung auszuüben.
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Um ihnen zusätzlich noch die Fähigkeit zu geben, bei einer Bewegung
der Feder über das normale Maß hinaus eine Lagekorrektur des abgefederten Fahrzeugteiles
durchzuführen, sind die Stoßdämpfer 4 mit einer einen Flüssigkeitsdruck erzeugenden
Pumpe 5 so verbunden, daß bei Überschreiten der normalen Federwege Druckflüssigkeit
auf die jeweils zur Wirkung kommende Kolbenseite des Dämpfers 4 gegeben wird und
auf diese Weise eine von der geförderten Ölmenge abhängige Kolbenbewegung so länge
erzwungen wird, bis der Kolben wieder die im mittleren Arbeitsbereich der Feder
vorgeschriebene Stellung erreicht hat.
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Die in Abb. 1 dargestellte, von der Riemenscheibe 6 auf der Fahrzeugachse
angetriebene Flüssigkeitspumpe 5 hat vier getrennte Pumpenkreisläufe, von denen
jeder mit einem der vier Stoßdämpfer 4 verbunden ist. Den inneren Aufbau des im
Hinblick auf seine Doppelfunktion konstruktiv fortentwickelten Stoßdämpfers zeigt
Abb.2. Der in bekannter Weise aus einer Zylinderlauffläche 10 und einem Dämpferkolben
20 aufgebaute und mit den üblichen Überströmventilen 12 ausgestattete doppeltwirkende
Dämpfer hat in der Kolbenstange 13 Bohrungen, durch die das von der Pumpe 5 geförderte
Öl in das Innere des Dämpfers 4 und je nach der Stellung der steuernden Kanten entweder
über eine Kurzschlußleitung wieder aus dem Dämpfer 4 zur Saugseite der Pumpe 5 gefördert
werden kann oder über bzw. unter den Kolben 20 des Dämpfers 4 gedrückt und von hier
wieder nach Arbeitsleistung über den gleichen Rücklauf zur Pumpe 5 zurückfließen
kann.
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Die drei zur Erläuterung der Arbeitsweise erforderlichen Stellungen
des Kolbens 20 im Zylinder des Dämpfers 4 sind in den Abb. 2, 3 und 4 wiedergegeben:
Abb. 2 zeigt die Mittelstellung, das ist der von den beiden steuernden Kanten 16
bestimmte Bereich, indem die Drückflüssigkeit von der Zulaufleitung 14 über die
Muschel 17 im Kolben 20; die Aussparung 18 in der Zylinderlauffläche, welche die
linke Seite des Zylinders mit der rechten verbindet, und sodann über die Muschel
19 im Kolben 20 zur Rücklaufleitung 15 strömt, ohne daß eine Drucksteigerung über
das durch den Strömungswiderstand der Rohrleitung hinausgehende Maß eintritt. Solange
der Kolben 20 selbst in dem mittleren Bereich zwischen den beiden steuernden Kanten
16 hin und her geht, wirkt weder der Stoßdämpfer, weil die beiden Seiten des Kolbens
20 durch die Aussparung 18 miteinander verbunden sind, noch baut sich ein Druck
infolge der Pumpe 5 auf.
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Werden die Federn 2 jedoch stark entlastet, so daß sich ihre Pfeilhöhe
über das durch die obere Steuerkante 16 bestimmte Maß hinaus vergrößert, so geht
der Kolben 20 zwangläufig in die in Abb. 3 gezeigte Stellung. Er überdeckt dabei
die obere steuernde Kante 16 und schließt damit die als Überströmraum wirkende Aussparung
18 ab. Nunmehr strömt Drucköl von der Zulaufleitung 14 kommend über die Muschel
17 in die obere Aussparung 21 in der Zylinderlauffläche 10 und von hier in den Druckraum
über dem Kolben 20. Da das Drucköl nun über die mittlere Aussparung 18 nicht mehr
entweichen kann, baut sich über dem Kolben 20 ein Druck auf, und die geförderte
Öhnenge drückt den Kolben 20 mit der Kolbenstange 13 und damit den mit der Kolbenstange
13 verbundenen abgefederten Fahrzeugteil wieder nach unten in die Mittellage so
lange, bis die obere steuernde Kante 16 wieder freigegeben und dadurch der Kurzschluß
für den Flüssigkeitskreislauf wieder geschaffen wird. Der Druck über dem Kolben
20 kann hierbei nur den Betrag erreichen, der durch die Cberströmventile 12 im Kolben
20 bzw. im Boden des Stoßdämpfers 4 bestimmt ist. Diese Ventile arbeiten wie bei
allen Flüssigkeitsstoßdämpfern unter der Einwirkung der von außen kommenden Stoßkraft
zunächst als übliches überströmventil und nach Aufhören der durch den Stoßimpuls
hervorgerufenen Bewegung unter der Wirkung des Öldruckes von der Pumpe 5, sofern
dieser Druck ein bestimmtes Maß überschreitet, als überströmventil für das gepumpte
Drucköl.
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Sinngemäß in gleicher Weise, nur in umgekehrter Wirkungsrichtung,
arbeitet das System, wenn der Kolben 20 im Stoßdämpfer 4 unter der Wirkung einer
Belastungszunahme nach unten über die untere steuernde Kante 16 hinaus verschoben
wird (Abb. 4). In diesem Falle strömt wieder Drucköl über die Zulaufleitung 14 und
die Muschel 17 sowie die untere Aussparung 22 vor den Kolben 20 und bewegt ihn in
Richtung auf die Mittellage zurück.
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Um das hydraulische System gegen Einflüsse von Temperaturänderung
oder auch gegen geringe Leckölverluste unempfindlich zu machen, kann, wie in Abb.
1 schematisch dargestellt, durch die Zuordnung eines kleinen, in üblicher Weise
mit einem Druckgaspufffer ausgestatteten Speicherraumes 7 die zirkulierende Druckölmenge
immer korrigiert werden. Außerdem kann durch ein Sicherheits- und Rückschlagventil
8, das in der Kurzschlußleitung 9 liegt, eine unzulässige Drucksteigerung in der
Pumpe 5 vermieden werden, sofern diese Funktion nicht durch die Überströmventile
12 im Stoßdämpfer 4 befriedigend wahrgenommen wird.
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Beispiel 2 (Abb.5): Der erwünschte Effekt des bedarfsweisen Verstärkens
der Rückstellkräfte in den äußeren Bereichen des Federweges kann auch durch eine
kleine Zusatzgasfeder in einem Gasfedersystem erfolgen, wenn in bekannter Weise
mit dieser Zusatzgasfeder über entsprechende Hebelverbindungen eine dämpfende Wirkung
der Hauptgasfeder bewirkt wird. Abb. 5 zeigt das Schema einer solchen Anordnung.
Die Hauptgasfeder 2 wird in ihrer Frequenz geregelt durch die kleine Zusatzgasfeder
40, die ebenfalls zwischen die beiden Fahrzeugteile 1 und 3 über eine Kniehebelkonstruktion
41 geschaltet ist.
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Die Wirkungsweise dieser Zusatzgasfeder 40 beschränkt sich jedoch
hier nicht wie beiden bekannten Systemen auf die frequenzvermindernde Wirkung der
Hauptgasfeder 2, deren Innengasdruck durch das Regelventil 42 wie üblich gesteuert
wird, sondern der Innendruck in der Zusatzgasfeder 40 wird erfindungsgemäß
durch ein zweites Steuerventil 43 unabhängig von dem Innendruck in der Hauptgasfeder
2 so gesteuert, daß im mittleren Arbeitsbereich der Hauptgasfeder 2 die Zusatzgasfeder
40 von der Druckgasleitung 44 über das Steuerventil 43 mit Druckgas aufgefüllt wird.
Sobald jedoch der mittlere Arbeitsbereich der Hauptgasfeder 2 überschritten wird,
läßt das Steuerventil 43 den Gasdruck in der Zusatzgasfeder 40 je nach dem Maß der
Federwegüberschreitung teilweise oder ganz ab, was in Anbetracht der kleinen Räume
sehr schnell und ohne nennenswerte Gasverluste erfolgt. Und die Hauptgasfeder 2,
ihrer
frequenzvermindernden Hilfseinrichtung beraubt, schwingt nun
in den Endbereichen zwar mit höherer Frequenz, jedoch zugleich auch mit entsprechend
erhöhten Rückstellkräften in die normale mittlere Arbeitslage der Feder zurück.
Hat sie dieselbe erreicht, so wird sofort durch das Steuerventil 43 der Gasdruck
in der Zusatzgasfeder 40 aus der Leitung 44 wieder aufgebaut.
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Beispiel 3 (Abb. 6): Zur Verwirklichung des Erfindungsgedankens wäre
auch eine Abstützung denkbar, bei der eine kleine Schwungmasse dauernd in Bewegung
gehalten wird, die im Bedarfsfalle durch elektromagnetisch gesteuerte Kupplungen
in der einen oder anderen Kraftrichtung wirksam wird, um schnell eine Lagekorrekturarbeit
zu liefern. Wie eine solche Vorrichtung arbeitet, ist aus Abb. 6 zu erkennen: Die
von einem kleinen Elektromotor 45 ständig in einer bestimmten Richtung in drehender
Bewegung gehaltene Schwungmasse 46 ist an ihren beiden Enden mit elektromagnetischen
Kupplungen 47, die mit normalen Reibbelägen versehen sind, ausgestattet.
Beim Schließen des Stromkreises in der linken Kupplung 47 bewegt die Mitnehmerscheibe
48 den an ihr angebrachten Hebelarm 49 nach oben, wobei die Mitnehmerscheibe
28 wegen der großen, dem Hebelarm 49 nachgeschalteten Masse so lange schleift,
bis die gewünschte Lagekorrektur durch die Kraftwirkung der Kraft P nach oben erreicht
ist und der Stromkreis der Magnetkupplung 47 wieder unterbrochen wird. In gleicher
Weise, jedoch mit umgekehrter Wirkungsrichtung der Kraft P', arbeitet dieselbe Schwungmasse
46, wenn die rechte Elektromagnetkupplung 47 Strom erhält und über ihre Mitnehmerscheibe
den Arm 50 nach abwärts zu drehen bestrebt ist. Diese Vorrichtung ist zwischen dem
abgefederten Teil 1 des Wagenkastens und dem unabgefederten Teil 3 angebracht, also
parallel zur Hauptfeder geschaltet und wirkt in den äußeren Arbeitsbereichen der
Hauptfeder rückstellkraftverstärkend.
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Nicht unerwähnt bleiben soll die Möglichkeit, diese Vorgänge auch
elektronisch; z. B. mit Hilfe von Transistoren, zu steuern. Alle diese Möglichkeiten
aufzuzählen würde zu weit führen und ist auch zur Erläuterung des grundsätzlichen
Charakters des Erfindungsgedankens nicht erforderlich.
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Die Ansprüche 4, 5 und 8 gelten als echte Unteransprüche nur in Verbindung
mit dem Anspruch 1.