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Druck-Schub-Gummischichtfeder, insbesondere Brückenfeder für Drehgestell-Schienenfahrzeuge
Die Erflndung betrifft eine Druck-Schub-Gummischichtfeder mit ebenen Zwischen- und
Endblechen, die lotrecht zu den Schichten durch'die Schwerkraft einer abzufedernden
Masse, z. B. der Masse der Brücke eines Drehgestell-Schienenfahrzeugs, belastet
ist und während der Einwirkung dieser Belastung in einer zu den Schichten parallelen
Ebene durch das Federende in zwei zueinander senkrechten Richtungen seitlich ausgelenkt
wird. Dabei kann die Forderung auftreten, daß die Federkennlinie in diesen beiden
(»Schub«-)Richtungen verschieden steil verlaufen soll. So wird z. B. bei den Brückenfedem
eines Drehgestell-Schienenfahrzeugs in Fahrtrichtung ein möglichst flacher Verlauf
der Federkennlinien angestrebt, um das Ausdrehmoment der Drehgestelle bei der Bogenfahrt
möglichst klein zu halten, während für die Querfederung eine wesentlich steilere
Kennlinie gefordert wird, um mit der gegebenen Brückenmasse eine geeignete Querschwingungsfrequenz
der Brücke zu erzielen und eventuell die Fliehkräfte der Brücke mit diesen Federn
auf das Drehgestell zu übertragen.
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Die bisher für die Brückenabstützung benutzten Gummischichtfedem mit
ebenen Zwischen- und Endblechen weisen bei der »Schub«-Verformung in allen Richtungen
nahezu die gleiche Federsteifigkeit auf, so daß sie die Querfederung der Brücke
nicht übernehmen können. Es mußte deshalb, bei Verwendung solcher Gummischichtfedern
als Brückenfedern auf die Querfederung entweder ganz verzichtet (seitenfester Drehzapfen)
oder es mußten besondere zusätzliche Federn eingebaut werden.
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Zur Beeinflussung der Federkennlinie in der Hauptbelastungsrichtung
(lotrechte Federkennlinie) sind verschiedene Maßnahmen bekanntgeworden. Bekannt
ist, die Schichten einer Gummischichtfeder nicht lotrecht, sondern geneigt zur Hauptbelastungsrichtung
anzuordnen (Druck-Schub-Feder), wodurch die Feder in dieser Richtung weicher wird
(deutsche Auslegeschriften 1004 650, 1156 836). Nach einem anderen
bekannten Vorschlag soll die lotrechte Federsteifigkeit durch einen gitterartigen
Aufbau des Gummikörpers verkleinert werden (USA.-Patentschrift 2 322 193).
Abgesehen von der dazu notwendigen verwickelten Vulkanisierform ist auch die Tragfähigkeit
einer solchen Feder gering, so daß sie für eine gegebene Last eine große Grundfläche
erhalten müßte, die nur selten zur Verfügung steht.
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Für die Lösung der Erfindungsaufgabe, die Federsteifigkeiten in allen
drei Raumkoordinaten richtig aufeinander abzustimmen, geben die bekannten Anordnungen
keinen Hinweis, zumal sie in den Richtungen lotrecht zur Hauptbelastungsrichtung
nur kleine Federwege erlauben.
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Es ist bei zylindrischen Gummibüchsen auch bekannt, die Federkennlinien
inzwei zueinander senkrechten Radialrichtungen dadurch unterschiedlich zu machen,
daß im Gummikörper Hohlräume oder Einschlüsse aus anderem Werkstoff vorgesehen werden
(deutsche Auslegeschrift 1038 416). Die radialen Federkonstanten bleiben
dabei - aber stets sehr groß und die möglichen Federwege klein. Die axiale
Tragfähigkeit ist bei reiner Schubbeanspruchung klein, und die Federwege sind auch
in dieser Richtung begrenzt. So kommt diese Feder in zahlreichen Fällen, z. B. auch
als Brückenfeder für Schienenfahrzeuge, nicht in Betracht.
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Gummischichtfedern, bei denen die Gummischichten lotrecht zur Hauptbelastungsrichtung
liegen, erhalten oft auch Querschnitte, die in zwei verschiedenen Richtungen verschieden
große Ausdehnungen haben (z. B. Rechteck- oder Ellipsenform), wobei die zur Grundfläche
parallelen Querschnitte in allen Schichten gleich sind (deutsche Patentanmeldung
S 36565 XII / 47 a). Solche Federn geben zwar infolge der verschiedenen
Biegesteifigkeit in verschiedenen Richtungen auch eine geringfügige Verschiedenheit
der »Schub-Kennlinien«, die aber für die gedachten Anwendungszwecke unzureichend
ist und sich auch nicht durch entsprechende Formgebung nennenswert vergrößern läßt.
Die Verschiedenheit der Kennlinien war bisher, wie der Einbau solcher Federn zeigt,
nicht der Zweck dieser Grundrißgestaltung, zumal die Rolle, welche die Biegung bei
der sogenannten »Schub-Verformung« spielt, nicht erkanntwordenwar.
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Es ist auch bereits bekannt, die Zwischen- und Endbleche von Gummifedern
nicht eben, sondern
mit in Fahrtrichtung verlaufenden Wellen herzustellen.
Das erfordert aber teurere Zwischen- und Endbleche, eine kostspielige Vulkanisierform
und eine unbequeme und aufwendige Verbindung der Federn mit der Brücke und dem Drehgestell.
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Bekannt ist, jede einzelne Gummischicht einer Feder in der Mitte schmaler
als in der Nähe der Haftflächen auszubilden. Diese Foringebung der Gummischichten,
bei der alle Schichten einer Feder untereinander gleich sind, bezweckt eine Vergrößerung
des am höchsten beanspruchten Gununiquerschnitts in der Nähe der Haftflächen.
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Die Erfindung verfolgt das Ziel, eine einfache Gummischichtfeder mit
ebenen Zwischen- und Endblechen zu schaffen, die unter der Belastung durch eine
Kraft lotrecht zu den Schichten in zwei lotrecht zueinander liegenden Richtungen
in einer Ebene parallel zu den Schichten verschieden steile Federkennlinien aufweist.
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Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß bei einer Parallelverschiebung
der Endbleche gegeneinander in den Gummischichten keine reine Schubbeanspruchung
herrscht, sondern daß stets gleichzeitig auch eine Biegebeanspruchung auftritt,
die um so größer wird, je größer die Federhöhe und, im ausgelenkten Zustand,
je größer die Last lotrecht zu den Schichten ist. Bei den praktisch bei Brückenfederungen
zur Anwendung kommenden Federhöhen beträgt der Anteil der Biegung am Federweg in
»Schub«-Richtung meist ein Mehrfaches von dem, den der reine Schub erbringt. Dadurch
wird die Kennlinie der Feder in »Schub«-Richtung sehr flach. Gelingt es also, die
Biegung in einer Richtung weitgehend zu unterdrücken, so ergibt sich in dieser Richtung
eine wesentlich steilere Kennlinie als in der hierzu senkrechten Richtung.
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Gemäß der Erflndung wird eine Druck-Schub-Gummischichtfeder mit ebenen
Zwischen- und Endblechen verwendet, bei der die Breite der Gummischichten in der
einen Querrichtung von der Federmitte zu den Endblechen hin stetig bzw. stufenweise,
zunimmt.
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Das Biegemoment ist nämlich in der Nähe der Endbleche am größten;
außerdem erbringt die Krümmung der Biegelinie in diesem Bezirk den größten Anteil
am Biegefederweg. Das Trägheitsmoment des Gummiquerschnitts und damit die Steifigkeit
der Feder steigt mit ihrer Breite in Richtung der Breitenausdehnung mit der dritten
Potenz, in der dazu senkrechten Richtung aber nur mit der ersten Potenz der Breite.
Die Verbreiterung der Gummischichten in nur einer Richtung in der Nähe der
Endbleche erbringt also eine recht beträchtliche Versteifung der ganzen Feder in
dieser Richtung und nur eine, geringe Versteifung in der dazu senkrechten Richtung,
welche sich durch die allgemeine Auslegung der Feder leicht wettmachen läßt. Die
Verhärtung der Feder in Richtung lotrecht zu den Schichten ist ebenfalls gering
und läßt sich dadurch ausgleichen, daß die Breite der Schichten in Federmitte, in
der das Biegemoment verschwindet, ohne Schaden für die angestrebte vergrößerte Schubsteifigkeit
gegenüber der bei gleich breiten Schichten üblicher Federn notwendigen Breite vermindert
werden kann.
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Die Breitenzunahme der Gununischichten nach den Endblechen hin erhöht
gleichzeitig auch die Knicksicherheit einer schlanken Gununischichtfeder. In Fällen,
in denen dies angestrebt wird, wird man die Gummischichten auch in der zweiten,
zur ersten senkrechten Querrichtung nach den Endblechen hin in geringerem Maß verbreitern.
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In Ergänzung zu der vorbeschriebenen Ausbildung der Gummischichtfeder
kann zusätzlich auch die Höhe der Gummischichten von den Endblechen nach der Federmitte
hin zunehmen.
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Niedrige Gummischichten haben bei gleicher Breite einen kleinen Formfaktor
K (K = belastete Oberfläche durch freie Oberfläche), damit einen größeren
rechnerischen Elastizitätsmodul als hohe und dementsprechend eine größere Biegesteifigkeit.
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Durch die letztere Maßnahme werden also eben:: falls die dem größeren
Biegemoment ausgesetzten Schichten versteift. Diese Art der Versteifung ist
je-
doch in allen »Schub«-Richtungen wirksam. Sie kommt also dann in Betracht,
wenn z. B. bei hohen Federsäulen und großen Federauslenkungen auch in der weicheren
Richtung eine Versteifung erwünscht (z. B. um ungünstige Beanspruchungen des Gummis
zu vermeiden) oder zulässig ist.
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Ebenso wie die bekannten Gummischichtfedem lassen sich auch Einzelfedem
gemäß der Erfindung durch Nebeneinander- und übereinandersetzen mit alle Federn
erfassenden durchgehenden Zwischenplatten zu einem Federsystem zusammenfügen, wobei
zweckmäßigerweise die Einzelfedern so angeordnet sind, daß die Verbreiterungen der
Gummischichten nach den Endblechen hin bei allen Einzelfedem in der gleichen Richtung
liegen.
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Die zu den Federschichten parallelen durchgehenden Zwischenplatten,
welche die Federsäulen unterteilen, sorgen auch hier für eine praktisch stets paraUele
Lage der ihnen anliegenden Endbleche der Einzelfedern. Dadurch kann die versteifende
Wirkung der verbreiterten Schichten auch in dem Federsystem voll zur Auswirkung
kommen, d. h., die nach den zwei Hauptrichtungen verschiedene Federcharakteristik
wird auch auf das Federsystem übertragen.
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An die Stelle von Gummi kann auch ein anderes Elastomer mit ähnlichen
Eigenschaften wie Gummi treten.
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In den Zeichnungen sind mehrere Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes
dargestellt. Es zeigt Abb. 1 eine Draufsicht auf die Gurnunischichtfeder,
Abb. 2 den lotrechten Schnitt durch die Gummischichtfeder nach der Linie II-H der
Abb. 1 in unbelastetem Zustand, Abb. 3 den lotrechten Schnitt durch
die Feder nach der Linie IH-HI der Abb. 1 in unbelastetem Zustand, Abb. 4
Querschnittsumrisse der Gummischichten in verschiedenen Höhen bei einer anderen
Federausführung, Abb. 5 eine Seitenansicht der in Z-Richtung belasteten Feder
ohne seitliche Auslenkung, in X-Richtung gesehen, Ab b. 6 den Verlauf des
Biegemoments in der Feder bei seitlicher Auslenkung, Ab b. 7 eine Ansicht
der in Z-Richtung belasteten-und in X-Richtung ausgelenkten Feder, in Y-Richtung
gesehen, Ab b. 8 eine Ansicht der in Z-Richtung belasteten und in Y-Richtung
ausgelenkten Feder, in X-Richtuno, gesehen und im
A b
b. 9 bis 11 ein aus acht Einzelfedern zusammengesetztes Federsystem in
Vorderansicht, Seitenansicht und Draufsicht.
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Die Feder nach den Ab b. 1 bis 3 enthält in
üb-
licher Weise die Gummischichten 1 und 2, die durch einvulkanisierte
Zwischenbleche 4 voneinander getrennt sind. An die äußeren Gummischichten
1 sind die Endbleche 5 anvulkanisiert. Die Feder kann je
nach
den vorliegenden Verhältnissen statt der drei Schichten 1 und 2 jede beliebige
Anzahl von Gummischichten haben. Sie kann voll oder mit einer mittleren Aussparung
15 ausgeführt sein.
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Beim Einbau der Feder als Brückenfeder in ein Drehgestellfahrzeug
soll die X-Richtung der Fahrtrichtung entsprechen, die Y-Richtung horizontal quer
zur Fahrtrichtung liegen, und in der lotrechten Z-Richtung soll die Brückenlast
auf das Drehgestell übertragen werden.
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Die Breite der Gummischichten 1 und 2 nimmt in der Y-Richtung
von der Federmitte nach den beiden Endblechen 5 hin zu. Diese Breitenzunahme
kann stetig sein oder auch, besonders bei vielschichtigen Federn, stufenweise erfolgen,
derart, daß die Breite innerhalb jeder Schicht gleichbleibt, aber nach den Endblechen
hin von Schicht zu Schicht größer wird. In der X-Richtung kann die Breite der Schichten
konstant bleiben.
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Der Anschaulichkeit wegen wurde eine im Grundriß rechteckige Feder
dargestellt. In der Praxis wird man zugunsten einer besseren Werkstoffausnützung
von der Rechteckform mehr oder weniger abweichen, indem man die Ecken stark abrundet
oder sich der Kreis- oder Kreisringform nähert. Ein Beispiel für eine solche Formgebung
zeigt die Ab b. 4. Die mittlere Aussparung 15 hat dort bei allen Schichten
in der Draufsicht den gleichen Umriß 6, damit der Kein ,der Vulkanisierform
leicht aus der fertiggestellten Feder herausgezogen werden kann. Der Außenumriß
entspricht in Federmitte in der Draufsicht der Linie 7,
während dicht an den
Endblechen 5 der Grundriß der Gummischicht von der Linie 9 begrenzt
wird. Zwischen diesen beiden Querschnitten liegt ein kreisförmiaer Querschnitt
8. In X-Richtung haben alle Querschnitte die gleiche Breite.
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Zusätzlich können die den Endblechen 5 anliegenden Gummischichten
1 niedriger ausgeführt werden als die weiter zur Mitte gelegenen Schichten
2.
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Unter der Belastung in Z-Richtung durch die Kraft P, beispielsweise
die Brückenlast, drücken sich die Gummischichten unter Auswölbung ihrer Ränder gemäß
Ab b. 5 zusammen, und zwar die Mittelschicht 2 prozentual etwas stärker als
die Endschichten 1, weil ihr Querschnitt und ihr Formfaktor kleiner sind,
wobei unter »Formfaktor« bekanntlich das Verhältnis belastete Fläche zu freier Oberfläche
verstanden wird.
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Werden in diesem Zustand die Endbleche 5 parallel gegeneinander
verschoben, so entsteht unter dem Einfluß der Schubkräfte des Gummis ein Biegemoment
M, in der Feder, dessen Verlauf über die Federhöhe in Ab b. 6 wiedergegeben
ist. Bei einer Verschiebung in X-Richtung (vgl. Ab b. 7) ergeben sich dabei
ähnliche Verhältnisse wie bei den üblichen Gununischichtfedern. Außer der Schubverformung
tritt auch noch eine Biegung der Feder auf, wobei der Krümmungsradius der Mittellinie
10 der Feder in der Nähe der Endbleche 5 entsprechend dem dort wirksamen
großen Biegemoment am kleinsten ist. Dadurch nimmt das weniger gekrümmte Mittelstück
der Mittellinie 10 eine stark geneigte Lage ein und liefert einen großen
Beitrag zu dem »Schub«-Federungsweg f.,. Äußerlich zeigt sich dieser Vorgang an
der Neigung a an, welche die Zwischenbleche 4 zu den Endblechen 5 einnehmen.
Bei größeren Auslenkungen f, wird diese Wirkung noch durch das zusätzliche Moment
M, aus der Last P und dem Ab-
stand f., verstärkt, das den in der X-Richtung
für das-Ausdrehen der Drehgestelle erwünschten degressiven Charakter der Federkennlinie
hervorruft. Insgesamt bleibt die Forderung erfüllt, daß bei großen Auslenkungen
f, nur kleine Rückstellkräfte L in der Längsrichtung auftreten.
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Anders liegen die Verhältnisse bei der Formgebung nach der Erfindung
in der Y-Richtung (vgl. A b b. 8). Die in der Nähe der Endplatten
5 sehr biegesteifen Gummischichten 1 verursachen auch dort einen großen
Radius der Federmittellinie 11, die, sich in ihrer Gestalt zwei aneinandergesetzten
flachen Kreisbögen nähernd, nur wenig von der geraden Mittellinie abweicht, welche
sich bei einer reinen Schubverformung ohne Biegung einstellen würde. Bei der Parallelverschiebung
der Endplatten 5 gegeneinander in X-Richtung verursachen deshalb schon kleine
Wege f, große Rückstellkräfte in Querrichtung. Diese Erscheinung wird noch dadurch
unterstützt, daß für die Querbewegung der Brücke nur kleine Federwege f, in Frage
kommen und das zusätzliche Moment Mt aus P und fy klein bleibt.
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Je nach dem Maß, in dem die Breite der Gummischichten nach
den Endblechen hin vergrößert wird, läßt sich in der Y-Richtung jede Federhärte
zwischen derjenigen bei reiner Schubverformung und derjenigen bei ungehinderter
zusätzlicher Biegeverformung einstellen, während diejenige in X-Richtung dabei in
der letzteren Größe erhalten werden kann.
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Die Ab b. 9 bis 11 zeigen eine Kombination von acht
Einzelfedern 13 gemäß A b b. 1 bis 3 derart, daß im Grundriß
vier Einzelfedern nebeneinander stehen und im Aufriß jeweils zwei Federn übereinander
angeordnet sind. Die Y-Richtungen aller Einzelfedem 13 stimmen mit
der Y-Richtung der Federkombination überein. Zwischen den Federn der unteren und
den Federn der oberen Lage befindet sich eine durchgehende starre Platte 14. Infolge
der breiten Basis, auf der die Platte 14 sich auf den unteren Federn abstützt, wird
eine Neigung derselben bei waagerechter Auslenkung der Feder wirksam unterdrückt.
Jede Federschicht verhält sich deshalb ebenso, wie wenn sie allein zwischen zwei
parallelgeführten Platten eingebaut wäre. Die Tragfähigkeit dieser Kombination beträgt
das Vierfache derjenigen einer Einzelfeder, die lotrechten und die waagerechten
Federkonstanten verdoppeln sich dabei. Bei der Anwendung von solchen für normale
Gummischichtfedern bekannten Kombinationen mit beliebiger Anzahl über- und nebeneinanderliegender
Einzelfedern tritt bei der Verwendung der Einzelfedern 13 nach der Erfindung
die bemerkenswerte Erscheinung auf, daß die Verschiedenheit der Federkonstanten
in X-und Y-Richtung dank der waagerecht bleibenden Zwischenplatte 14 entsprechend
vervielfacht auch der Federkombination eigen ist.
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Die Maßnahmen nach der Erfindung, die Verbreiterung der Gummischichten
und die Verminderung der Schichthöhen von der Federmitte nach den Endblechen zu,
bewirken gleichzeitig eine Erhöhung der
Knicksicherheit der Feder.
Kommt es in besonderen Fällen, z. B. bei hohen Federsäulen, vor allem auf die Erhöhung
der Knicksicherheit an, so kommt auch die Breitenzunahme der Gummischichten nach
den Endblechen zu sowohl in X.-Richtung als auch in Y-Richtung in verschiedenem
Maß in beiden Richtungen in Frage.