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Gasfeder mit kleinem Federweg, insbesondere für Schienenfahrzeuge
Im Fahrzeugbau sind zum Abfedern des Fahrzeugaufbaus gegen das Laufwerk Rollbalggasfedern
bekannt. Bei diesen Federn ist das federnde Gasvolumen in dem mit dem Fahrzeugaufbau
verbundenen Zylinder enthalten, den der mit dem Laufwerk verbundene Kolben nachgiebig
verschließt. Zwischen Kolben und Zylinder ist ein erhebliches Radialspiel vorgesehen,
um dem Kolben ein begrenztes Kippen im Zylinder zu ermöglichen. Der Ringspalt zwischen
Kolben und Zylinder ist von dem Rollbalg abgedichtet, der die Axialbewegungen des
Kolbens gegenüber dem Zylinder nicht behindert. Der Rollbalg bildet eine Ring membran,
die sich unter der Wirkung- des in der Feder herrschenden Gasdruckes rinnenförmig
ausbildet.
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Rollbalggasfedem sind bisher hauptsächlich für Kraftfahrzeuge bekanntgeworden.
Bei Kraftfahrzeugen werden große Federwege gefordert, so daß der Rollbalg große
Axialverschiebungen des Kolbens im Zylinder zulassen muß. Das wird dadurch ermöglicht,
daß der Rollbalg als hohe schmale Rinne zwischen der Innenfläche des Zylinders und
der Außenfläche des Kolbens abgestützt ist. Bei Axialbewegungen zwischen Kolben
und Zylinder rollt der Rollbalg von der Zylinderfläche auf die Kolbenfläche hinüber
oder umgekehrt. Bei statischer Normallast sind die Schenkel der vom Rollbalg gebildeten
Rinne gleich lang, so daß die eingespannten Ränder des Rollbalges in einer Ebene
liegen, die zur Einfede_rrichtung senkrecht steht.
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Würde man bei den bisher bei Kraftfahrzeugen mit der Forderung nach
großen Federwegen bekannten Rollbalggasfedern die Abstützung der vom Rollbalg gebildeten
hohen schmalen Rinne zwischen Kolben und Zylinder weglassen, so würde sich der Querschnitt
des Rollbalges unter der Wirkung des Gas= druckes in der Feder sehr einem Kreisring
nähern: Während bei dem vom Zylinder und vom Kolben zur hohen schmalen Rinne beiderseits
geführten Rollbalg der Abstand zwischen den Rollbalgrändem der größten Rinnenbreite
entspricht, lägen bei gleichen, jedoch beiderseits freien, d. h. nicht am Kolben
und Zylinder abgestützten Rollbälgen die Rinnenränder wesentlich näher zusammen
als es der größten Rinnenbreite entspricht. Weiter verläuft beim beiderseits vom
Kolben und vom Zylinder geführten Rollbalg unabhängig von der Stellung des Kolbens
im Zylinder der Rollbalg von seinen Rändern aus parallel -zur Einfederrichtung,
während beim beiderseits freien. Rollbalg dieser im Bereich seiner Ränder mehr oder
weniger senkrecht zur Einfederrichtung verläuft, und zwar ist-die Neigung zur Einfederrichtung
abhängig von der Stellung des Kolbens im Zylinder in der Weise, daß bei der
statischen Normalbelastung der Balg im Bereich der Ränder am: stärksten gegen die
Einfederrichtung -geneigt ist und daß diese Neigung mit zunehmendem Einfedern abnimmt.
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Wie Untersuchungen gezeigt haben, hat die mit zunehmendem Einfedern
abnehmende Neigung des Balges im Bereich der Ränder gegen die Einfederrichtung auf
Grund der im Balg selbst herrschenden Zugspannungen den Nachteil, daß die Feder
mit zunehmendem Einfedern dynamisch härter wird. Wohl aus diesem Grund sind freie,
d: h. beiderseits ungeführte Rollbälge bisher nicht in die Praxis,- zumindest nicht
in größerem Umfang, eingeführt worden.
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Der beiderseits gestützte Rollbalg hat den geschilderten Nachteil
des beiderseits freien Rollbalges nicht, weil er gemäß den obigen Darlegungen im-
Bereich der Ränder unabhängig vom Einfederzustnd stets parallel zur Einfederrichtung
verläuft. Durch besondere Formgebung der Abstützfläche des Kolbens und des Zylinders
kann sogar erreicht werden, daß die Neigung des Rollbalges im' Bereich der Ränder
gegen die Einfederrichtung mit zunehmendem Einfedern größer wird, so daß die Feder
zwar eine hohe statische Tragfähigkeit hat, aber dynamisch mit zunehmendem Einfedern
weicher wird. Diesem Vorteil des beiderseits gestützten Rollbälgen steht aber die
Gefahr des Abriebs als Nachteil gegenüber.
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Nur bei ausgesuchten Werkstoffen hat der beiderseits gestützte Rollbalg
eine befriedigende Lebensdauer, und beiderseits gestützte Rollbälge können deshalb
relativ teuer sein. Ganz abgesehen davon, bedeuten die längen Stützflächen einen
zusätzlichen Gewichtsaufwand. Bei Kraftfahrzeugen mit großen Federwegen müssen diese
Mängel aber in Kauf genommen werden, wenn hollbalggasfedern verwendet werden-sollen.
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Es sind zwar schon Luftfederungen mit-kreisförmigen Balgquerschnitten
bekanntgeworden, bei denen die Einspanntangenten etwa parallel zur Einfederungsrichtung
liegen. Außerdem kennt man auch eingeschnürte Torusbälge.
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Alle diese Bälge sind in ihrer Funktion jedoch nicht mit Rollbälgen
vergleichbar. Sie benötigen eine besondere Stabilisierung oder Lenkerführung in
horizontaler Richtung, und ihre wirksame Fläche vergrößert sich mit der Einfederung.
Außerdem ist der für ihren Einbau notwendige Raum wesentlich größer, und sie benötigen
mehr Material.
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Mit der erfindungsgemäßen Luftfeder sollte dagegen eine Federung geschaffen
werden, die - kleine Federwege vorausgesetzt - einen geringen Einbauraum erfordert,
weniger Materialaufwand benötigt, eine stabile Abstützung darstellt, beim Einfedern
in der wirksamen Fläche etwa konstant bleibt und trotzdem einen verschleiß- und
reibungsfreien Federbalg verwendet, der ohne Führungsflächen auskommt.
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Auf diesen Vorüberlegungen aufbauend, ist die Erfindung zu dem Ergebnis
gekommen, daß dann eine ideale, der Rollbalggasfeder entsprechende Gas-Feder geschaffen
werden kann, wenn kleine Federwege verlangt werden. Kleine Federwege im Vergleich
zu den Federwegen, die im Kraftfahrzeugbau üblicherweise gefordert werden müssen,
genügen z. B. in der Regel im Schienenfahrzeugbau. Die Schiene ist eine relativ
ebene Fahrbahn, und für die vorliegenden geringen Fahrbahnunebenheiten genügen schon
kleine Federwege. Aber auch Straßenfahrzeuge für besondere Zwecke können mit kleinen
Federwegen auskommen, z. B. wenn sie ausschließlich für den Einsatz auf modernen
Schnellstraßen bestimmt sind.
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Demgemäß betrifft die Erfindung eine Gasfeder mit kleinem Federweg,
insbesondere für Schienenfahrzeuge, deren eine offene Rinne bildender ringförmiger
Balg an seinen Rändern an je einem der kolben- und zylinderartig gegenemanderbeweglichen
Bauteile gasdicht befestigt ist. Bei einer derartigen Gasfeder besteht die Erfindung
darin, daß bei statischer Normalbelastung der Gasfeder die Krümmungsmittelpunkte
der Rinne etwa in der gleichen, zur Einfederrichtung senkrechten Ebene liegen wie
die beiden Ränder des zwischen diesen freien Federbalges.
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Weitere Merkmale der Erfindung sind folgende: Die Ebene der Krümmungsmittelpunkte
der Rinne und der Ränder der des Balges, liegt in der Ebene der Unterseite des über
die Gasfeder auf dem Laufwerk abgestützten Wagenkastens des Fahrzeuges. Der Kolben
soll in an sich- bekannter Weise als das Gasvolumen des Zylinders vergrößernde Kammer
ausgebildet sein.
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Der Boden des Zylinders soll die Einfederbewegungen des Kolbens begrenzen.
Zu diesem Zweck ist auf dem Zylinderboden ein elastisches Polster befestigt, das
beim Auftreffen des Kolbens auf das Polster die an sich ungedrosselte Verbindung
zwischen dem Gasraum des Zylinders und des Kolbens unterbricht.
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Zumindest ein Rand des Balges soll einen keilförmigen Wulst aufweisen,
der unter der Wirkung des Gasdruckes der Feder selbstdichtend an seinem Befestigungsring
anliegt.
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Schließlich soll die Lage der Krümmungsmittelpunkte der Rinne in der
Ebene der Balgränder mit einer zusätzlichen Feder erreicht werden. -Ein halbkreisförmiger
Balg gemäß der Erfindung benötigt weniger Material und weist eine viel geringere
Abnützung auf. Der bei halbkreisförmigen Bälgen an sich zwar geringere Federweg
reicht aber für Schienenfahrzeuge vollkommen aus.
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Verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung sind-in den Zeichnungen
schematisch dargestellt. Es zeigt F i g. 1 eine Gasfeder gemäß der Erfindung im
Schnitt, F i g. 2 einen Ausschnitt einer etwas geänderten Ausführungsform, F i g.
3 ein weiter ausgestaltetes Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung.
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In den Zeichnungen ist mit 1 der Federbalg, mit 2 der mit dem Laufwerk
3 verbundene Kolben und mit 4 der Zylinder bezeichnet, der einen Teil des Wagenkastens
5 darstellt. Der Kolben 2 schließt eine gasdichte Kammer ein, die zwischen dem aufgesetzten
Befestigungsring 6 ungedrosselt mit dem Gasraum des Zylinders 4 in Verbindung steht.
An die kegelige Außenfläche des Befestigungsringes 6 wird vom Gasdruck der Feder
der ebenfalls kegelig ausgebildete, den inneren Rand 7 des Federbalges 1 bildende
Fuß selbstdichtend angedrückt. Der den äußeren Balgrand 8 bildende Balgfuß ist mit
einem Klemmring 9 gasdicht am Wägenkasten 5 gehalten. Die Befestigung des äußeren
Balgrandes:8 mit dem Klemmring 9 kann durch eine selbstdichtende Befestigung entsprechend
der Befestigung des inneren Balgrandes 7 ersetzt werden (F i g. 2).
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Der innere und der äußere Balgrand 7 und 8 liegen in der gleichen;
zur Einfederrichtung senkrechten Ebene, in der ungefähr auch der Krümmungsmittelpunkt
10 der vom Federbalg 1 gebildeten Rinne liegt. Der Federbalg 1 hat
also etwa im Querschnitt die Form eines Halbkreisringes. Die Ebene, in der die Balgränder
7 und 8 und ungefähr auch die Krümmungsmittelpunkte 10 liegen, ist die Unterseite
des Wagenkastens 5, so daß der Zylinder 4 vollständig oberhalb der Unterseite -des
Wagenkastens 5 liegt. Das elastische Polster 11 ist auf der Innenseite des Zylinderbodens
befestigt, und zwar so, daß der Kolben 2 mit dem Befestigungsring 6 kurz vor der
maximal zulässigen Einfederung an das Polster 11 anstößt und dieses dabei die vom
Kolben 2 eingeschlossene Gaskammer vom Gasraum des Zylinders 4 absperrt.
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In der in den Zeichnungen dargestellten, bei statischer Normalbelastung
der Gasfeder vorliegenden Lage der Teile der Feder verlaufen die Zugspannungen im
Rollbalg nahe den Rollbalgrändern 7 und 8 zur Einfederrichtung parallel und erhöhen
die vom Gasdruck abhängige statische Tragfähigkeit der Gasfeder. Beim dynamischen
Einfedern neigt sich der Federbalg 1 im Bereich seiner Ränder 7 und B gegen die
Einfederrichtung. Die Balgspannungen im Bereich der Balgränder 7 und 8 lassen sich
in eine zur Einfederrichtung parallele und in eine dazu senkrechte Komponente zerlegen,
wobei die parallele Komponente mit zunehmendem Einfedern relativ zur anderen Komponente
kleiner wird und der die Gasfeder verhärtende Einfluß der Balgspannungen mit zunehmendem
Einfedern entsprechend abnimmt.
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Andererseits hat die Gasfeder eine progressive Kennlinie, weil beim
Auftreffen des Kolbens 2 mit -seinem Befestigungsring 6 auf dem Polster 11 und weiteren
Einfedern nicht nur der Puffer selbst wirksam
ist, sondern auch
das federnde Gasvolumen um den Inhalt der Kammer des Kolbens 2 kleiner geworden
ist.
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Da der Zylinder 4 völlig innerhalb des Wagenkastens 5 liegt, kann
die Gasfeder über das mit dem geringen Federweg schon gegebene Maß hinaus niedrig
gebaut werden. Da der Federbalg 1 zwischen seinen Rändern 7 und 8 frei und ohne
Abstützung ist, liegt für die Gasfeder nicht die Gefahr des Abriebs vor und auch
bei weniger abriebfesten Federbälgen ist ihre Lebensdauer groß. Der selbstdichtende
Sitz des oder der Balgränder 7 bzw: 8 macht die Gasfeder baulich einfach und erleichtert
den Ein- und Ausbau des Balges 1.
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Bei der Anordnung gemäß F i g. 3 sitzt der zu der Befestigungsplatte
6 a zusammengeschrumpfte Kolben der Gasfeder auf einer Zusatzfeder 12 großer
Tragfähigkeit, die sich mit ihrem anderen Ende am Laufwerk 3 abstützt. Die zusätzliche
Feder 12 ist so bemessen und gegebenenfalls regelbar, daß unabhängig von dem von
der statischen Belastung der Feder abhängigen Abstand zwischen Laufwerk 3 und Wagenkasten
5 des Fahrzeuges der Krümmungsmittelpunkt 10 der Rinne des Balges
1 und die Balgränder 7 und 8 in der gleichen Ebene liegen. Dem Schutz
der Feder 12 dienen teleskopartig gegeneinander verschiebliche Rohre
13 und 14 der Platte 6 a und des Laufwerkes 3.
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Die Ansprüche 2 bis 8 gelten als echte Unteransprüche nur in Verbindung
mit dem Anspruch 1.