DE19645632A1 - Federung einer Führerkabine auf einem Fahrzeug-Untergestell - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Federung einer Führerkabine auf einem Fahrzeug- Untergestell mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.

In EP 0 089 794 A1 ist eine Kabinenfederung mit diesen Merkmalen beschrieben. Sie umfaßt vier zwischen der Führerkabine und ihrem Untergestell angeordnete Luftfedern nebst integrierten Dämpfern. Die Luftvolumina der Federn sind über Ventile schaltbar mit einer Druckquelle verbunden. Ihre Federkennlinien können zum Ausgleichen von Nick-, Wank- und Vertikalstoßbewegungen beeinflußt werden.

Dazu werden die Ventile nach Bedarf von einer elektronischen Steuerung, die Ein­ gangssignale von Sensoren verarbeitet, geöffnet und geschlossen. Insgesamt ergibt sich damit eine schnelle und komfortable Steuerung.

Jedoch muß man dafür einen relativ hohen Aufwand treiben, der insbesondere durch die elektronische Steuerung und deren Sensoren teuer werden kann.

Auch können die beschriebenen Luftfedern, die man auch als Federbeine betrachten kann, auf die Führerkabine einwirkende Querbeschleunigungen nicht direkt abpuffern.

Eisenbahngüterwagen sind im Gegensatz zu Reisezugwagen und Straßenfahrzeugen nur mit einfachen, harten Federungen (Stahl oder Gummi) ausgestattet. Ein kürzlich vorgestelltes selbstfahrendes Eisenbahn-Güterfahrzeug ("Cargo-Sprinter" der Deut­ schen Bahn AG) hat neben seiner Ladefläche auch eine Führerkabine, die ähnlich wie Lkw-Führerkabinen auf Luftfederelementen abgestützt, jedoch mit Lenkern in horizon­ taler Ebene geführt ist.

Die üblichen Rollbalg-Luftfedern sind in Querrichtung zu weich, um eigene Querfeder­ kräfte aufbauen zu können, und müssen deshalb mit Lenkern kombiniert werden.

Im Schienenverkehr treten aufgrund der starren Spurführung auch erhebliche Quer­ beschleunigungen parallel zur Fahrwegebene auf, die von üblichen vertikal gefederte Fahrersitzen nicht aufgenommen werden können. Dagegen sind die Längsbeschleuni­ gungen und -verzögerungen im normalen Fahrbetrieb aufgrund der großen Fahrzeug­ massen bei weitem geringer als bei Straßenfahrzeugen; es können allerdings stärkere Pufferstöße im Zugverband auftreten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ausgehend vom eingangs genannten Stand der Technik eine durch Entfall von Lenkern und elektronischen Bauteilen kostengün­ stige, jedoch hinreichend komfortable Federung für eine Führerkabine insbesondere eines selbstfahrenden Schienen-Güterfahrzeugs zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Merkmale der Unteransprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen dieses Gegenstands an.

Die damit umschriebene Lösung zeichnet sich durch die Verwendbarkeit von preiswer­ ten Großserien-Luftfedern aus der Industrieproduktion (z. B. für Maschinenfundamen­ te) unter der knapp 4 Tonnen schweren Führerkabine aus, die bisher im Schienenfahr­ zeugbau aus Dimensionierungsgründen keine Verwendung gefunden haben. Gleiches gilt für die einfachen mechanisch betätigbaren Steuerventile, welche die Verbindung zwischen den Luftfedern und der Druckquelle beherrschen.

Speziell im Hinblick auf den Kostendruck im Schienengüterfahrzeugbau sind das erheb­ liche Preisvorteile gegenüber den im Schienenfahrzeugbau üblichen Lösungen. Im Ver­ gleich mit einer einfachen Gummifederung läßt sich damit der Fahrkomfort für den Zugführer und ggf. Begleitpersonal erheblich verbessern, ohne Kostengrenzen zu überschreiten.

Weitere Einzelheiten und Vorteile des Gegenstands der Erfindung gehen aus der Zeich­ nung eines Ausführungsbeispiels und deren sich im folgenden anschließender einge­ hender Beschreibung hervor.

Es zeigen

Fig. 1 eine Teil-Seitenansicht eines selbstfahrenden Schienengüterfahrzeugs im Bereich einer gefederten Führerkabine und

Fig. 2 einen Grundriß des Untergestells in demselben Bereich.

Gemäß Fig. 1 und 2 ist auf einem Untergestell 1 eines Schienengüterfahrzeugs eine Führerkabine 2 über Luftfedern 3 schwingfähig und stoßgedämpft abgestützt. Die Luftfedern bauen sowohl in vertikaler (Haupt-)Lastrichtung als auch quer dazu - parallel zur Fahrwegebene - Federkräfte auf, wobei sie in Querrichtung weicher sind. In bekannter Weise umfassen die Luftfedern hier nicht sichtbare Gummipuffer als Not­ federn im Schadensfall (Undichtigkeit, Druckausfall). Das Untergestell 1 ruht in bekannter Weise auf hier nicht weiter dargestellten, wenigstens teilweise angetrie­ benen Laufwerken (Einzelachsen oder Drehgestelle), die zumindest eine Achs-Primär­ federung aufweisen.

Parallel zu den Luftfedern 3 sind etwa in Kabinenlängsmitte zwei Vertikal-Dämpfer 4 angeordnet, die über Gelenke am Untergestell 1 und der Führerkabine 2 befestigt sind. Diese Anordnung bildet eine schwingungsgedämpfte Federung der Führerkabine in ver­ tikaler und horizontaler Richtung. Abgesehen davon entkoppelt die Federung die Füh­ rerkabine auch geräuschmindernd von Körperschallschwingungen des Untergestells 1.

Aus dem Grundriß in Fig. 2 ergibt sich, daß die Luftfedern 3 in bekannter Weise nahe an den Eckpunkten der Führerkabine 2 angeordnet sind und diese auf breiter Stütz­ basis auch gegen sämtliche Kippbewegungen (Nicken, Wanken) abstützen.

Schließlich sind an den vier Ecken der Führerkabine 2 noch Seilsicherungen 5 (Draht­ seile) vorgesehen, die in einfacher, aber wirksamer Weise eine Auslenkbegrenzung bzw. Abhebesicherung für die Luftfedern 3 bilden.

Wiederum parallel zu den Luftfedern 3 sind Betätigungsgestänge 6 für mechanisch geschaltete, am Untergestell 1 befestigte Steuerventile 7 vorgesehen. Letztere vermit­ teln den Anschluß der Luftfedern 3 an eine Druckversorgung, die beim Schienen­ fahrzeug aus Sicherheitsgründen vollkommen von der üblichen Druckluft-Bremsanlage getrennt sein muß und hier nur durch einen Anschluß 8 repräsentiert ist.

In Fig. 2 erkennt man auch die Anordnung von Längs- und Queranschlägen 9, 10, die über u-förmige Halterungen am Untergestell 1 befestigt sind. Zwischen die Anschläge sind kabinenseitige Mitnehmer 11, 12 eingeführt, die übermäßige Auslenkungen der Führerkabine 2 in der Fahrwegebene zu verhindern haben. Sie treten jeweils erst nach Zurücklegen eines kurzen Freigangs mit den Anschlägen in Kontakt, so daß Schwin­ gungen kleiner Amplituden parallel zur Fahrwegebene allein durch die Horizontalkom­ ponente der Luftfedern 3 weich aufgenommen werden.

Die Anschläge sind vorzugsweise elastisch mit einer zunächst weichen, dann progres­ siv verhärtenden Federkennlinie ausgeführt. Schließlich ist zwischen dem Unterboden der Führerkabine 2 bzw. dem Mitnehmer 11 und dem Untergestell 1 noch mindestens ein Querschwingungsdämpfer 13 angeordnet. Durch diese Querwegbegrenzung und -dämpfung werden im Zusammenwirken mit der horizontalen Federwirkung der Luft­ federn 3 Lenkeranordnungen wie beim Stand der Technik in einfacher Weise erübrigt.

Ausgehend vom Druckanschluß 8 strömt die Luft zunächst zu einem Absperr- und Ent­ lüftungsventil 14, dann zu einem Überströmventil 15, hinter dem eine Zweigleitung zur Luftfederung eines Fahrersitzes abgezweigt sein kann, und einem Drosselventil 16.

Das Überströmventil 15 - mit Rückströmweg zum Absperrventil 14 - stellt als Schwell­ wertventil sicher, daß eine Drucklieferung in die Kabinenfederung erst dann möglich ist, wenn der Druck am Druckanschluß 8 über 7.500 hPa liegt. Damit wird eingangs­ seitig ein bestimmtes Druckniveau gesichert. Das Drosselventil 16 ist ein Druckbegren­ zer für die ihm gemeinsam über Verteilerleitungen nachgeschalteten Luftfedern 3 und kann z. B. auf 7.500 hPa eingestellt sein, während der Eingangs- oder Lieferdruck am Druckanschluß 8 z. B. 10.000 hPa betragen kann.

Durch Absperren des Entlüftungsventils 14 kann die Luftseite der Federung vollständig entlüftet bzw. entspannt werden, wobei der Rückströmweg des Überströmventils 15 benutzt wird.

Der statische mittlere Balginnendruck der Luftfedern soll bevorzugt etwa 5.000 hPa betragen. Die vertikale Luftfedersteifigkeit wird in einem Bereich zwischen 200 und 400 N/mm² festgelegt, während die horizontale (Quer-)Federsteifigkeit (parallel zur Fahrwegebene) etwa die Hälfte der vertikalen Federsteifigkeit oder weniger betragen sollte, also z. B. in einem Bereich zwischen 50 und 200 N/mm² liegen kann.

Die genannten Zahlenbereiche sind qualitativ für ein bestimmtes Ausführungsbeispiel ermittelt worden und sind je nach Kabinengewicht und weiteren Randbedingungen (Fahrgeschwindigkeiten, Streckenzustand etc.) anzupassen.

Eine an sich bekannte Maßnahme zum Beeinflussen der Luftfeder-Steifigkeiten ist z. B. der Anschluß von (ggf. durch Ventile zu- und abschaltbaren) Zusatzluftvolumina, die hier z. B. in Gestalt von Tanks oder durch Ausnutzen von Hohlräumen im Untergestell 1 vorgesehen werden können.

Durch geeignete Auslegung der Überströmquerschnitte zwischen diesen und den Luft­ federn 3 kann man auch eine gewisse Eigendämpfung erreichen.

Im Querschnitt sind die Bälge der Luftfedern 3 gemäß Ausführungsbeispiel im wesent­ lichen torusförmig von der bekannten Konstruktion, deren Grundrißquerschnitt bzw. Innendruck-Wirkfläche sich beim Ein- und Ausfedern allenfalls geringfügig ändert. Die schon erwähnten Notfedern sitzen auf der Oberseite der untergestellfesten Innennabe der Torusbälge.

Man kann die vier Hauptachsen der Luftfedern 3 geringfügig schräg anstellen (nicht dargestellt), so daß diese nach oben konvergieren und sich paarweise oder ggf. zu viert in einem Punkt oberhalb des Kabinenschwerpunktes schneiden. Damit wirkt ein kleiner Anteil der höheren Vertikal-Federkennlinie auch parallel zur Fahrwegebene zum Flächenmittelpunkt des Kabinenbodens hin und trägt im Resultat zu einer Selbstzen­ trierung bzw. -rückstellung der Führerkabine unter Schwerkrafteinfluß bei. Auch Flieh­ kraftwirkungen (Wanken) können damit teilweise selbsttätig kompensiert werden, weil bei Seitverschiebung die bogenäußere Seite der Führerkabine angehoben und ihre bogeninnere Seite abgesenkt wird.

In der hier bevorzugt beschriebenen Ausführungsform sind drei Steuerventile 7 für die vier Luftfedern 3 vorgesehen. Eines davon beherrscht die Druckluftzufuhr zu den bei­ den Luftfedern einer Längsseite, während auf der anderen Längsseite pro Luftfeder ein eigenes Steuerventil 7 vorgesehen ist. Das ist eine im Vergleich mit einer Vierventil- Steuerung, bei der jeder Luftfeder ein individuelles Ventil zuzuordnen wäre, funktionell gleichwertige, jedoch preisgünstigere Konfiguration.

Während beim gattungsbildenden Stand der Technik die Luftfedern beim starken Kom­ primieren durch das jeweils zugehörige Ventil von der Druckquelle abgeschlossen wer­ den, haben die Steuerventile 7 hier die Aufgabe, den Innendruck der Luftfedern bei starkem Einfedern durch Verbinden mit der Druckquelle weiter zu erhöhen, um damit eine schnelle Versteifung und damit Stabilisierung gegen unerwünschte Kippbewegun­ gen sicherzustellen.

Gegen das sogenannte "Nicken", das sind durch Längsbeschleunigungen oder Last­ asymmetrie bezüglich der Luftfedern auf unebenem Fahrweg angeregte Schwingungen der Führerkabine um eine quer zur Fahrtrichtung liegende Achse, ist eine individuelle Drucksteuerung zumindest zweier in Fahrtrichtung hintereinander liegender Luftfedern notwendig. Bei Nickbewegungen nach vorn wird dann der Druck in der vorderen Feder erhöht und umgekehrt. Man wird bei Bedarf auch weitere Schwingungsdämpfer gegen Nickschwingungen z. B. an der Kabinenvorder- oder Hinterkante vorsehen.

Hingegen ist zum Abstützen gegen das "Wanken", das sind Schwingungen der Führer­ kabine um eine in Fahrtrichtung liegende Achse aufgrund von Spurführungskräften, grundsätzlich pro Längsseite nur ein Ventil für das Luftfederpaar notwendig, um die benötigte breite Stütz- und Abtastbasis herzustellen.

Aus der Notwendigkeit, auch den Innendruck der vierten Luftfeder steuern zu können, ergibt sich die Mindestzahl von drei Steuerventilen 7.

Diese sind vorzugsweise als 3/3-Wegeventile mit einem Speise- oder Zuluftanschluß, dem Verbraucheranschluß zu den Luftfedern 3 und einem Entlüftungsanschluß (in die Umgebung) ausgeführt. Abhängig von der Auslenkung der Betätigungsgestänge 6 wer­ den die Steuerventile 7 beim Komprimieren der Luftfedern 3 (Annäherung der Führer­ kabine an das Untergestell) aus der geschlossenen Grundstellung zum Erhöhen des Innendrucks der Luftfedern geöffnet. Hingegen stellen die Steuerventile 7 beim Aus­ federn/Entspannen der Luftfedern 3 (Abheben der Führerkabine vom Untergestell) oder auch Druckerhöhung oberhalb eines einstellbaren Schaltpunkts eine entlüftende Ver­ bindung der jeweiligen Luftfeder zur Umgebung her, um deren Innendruck wieder ab­ zubauen.

Zum Einstellen des gewünschten statischen Normaldruckniveaus in den Luftfedern kann man die wirksame Länge der Betätigungsgestänge stufenlos, z. B. über die angedeuteten Spannschloßverbindungen, einstellen.

Bei einem eventuellen Schaden an einem der Gestänge 6 verhindert das bereits erwähnte Drosselventil 16 druckseitige Überlastung der betreffenden Luftfeder.

Um zu hartes Ansprechen der Drucksteuerung zu vermeiden, sind die Überströmquer­ schnitte der Steuerventile beim Übergang von ihrer Schließstellung zur Druckzufuhr- bzw. zur Entlüftungsstellung in an sich bekannter Weise wegproportional veränderlich. Demnach wird bei geringfügigen Ein- oder Ausfeder-Bewegungen auch nur ein kleiner Überströmquerschnitt geöffnet. Nur bei großen Wegen der Betätigungsgestänge wird der volle Querschnitt des jeweiligen Ventilweges geöffnet.

Claims (13)

1. Federung einer Führerkabine (2), insbesondere für einen selbstfahrenden Eisenbahn-Güterwagen, umfassend eine Mehrzahl von zumindest senkrecht zur Fahrwegebene (Vertikalrichtung) wirkenden Luftfedern (3) und Dämpfern (4) zum Abstützen der Führerkabine auf einem Untergestell (1),
wobei die Luftfedern mittels Steuerventilen (7) mit einem Druckanschluß (8) verbindbar und von diesem trennbar sind,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Luftfedern (3) parallel zur Fahrwegebene querelastisch mit im Vergleich mit der Vertikal-Federkennlinie weicherer Horizontal-Federkennlinie ausgeführt sind und
daß nachgiebige Längs- und Queranschläge (9, 10) zum Begrenzen seitlicher Auslenkungen der Führerkabine (2) bei einwirkenden Querbeschleunigungen vorgesehen sind.

2. Federung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Längs- und Queranschläge (9, 10) elastisch mit progressiver Federkennlinie ausgeführt sind und die Führerkabine (2) erst nach Zurücklegen eines Freigangs mit ihnen in Kontakt tritt.

3. Federung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptachsen der Luftfedern (3) so gegen die Vertikale geneigt sind, daß sich ihre gedachten Verlängerungen jeweils paarweise in einem oberhalb des Schwerpunkts der Führerkabine (2) gelegenen Punkt schneiden.

4. Federung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerventile (7) mechanisch proportional zu den vertikalen Auslenkungen der Luftfedern (3) steuerbar sind.

5. Federung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Überströmquerschnitte der Steuerventile (7) in Abhängigkeit vom Schaltweg veränderlich sind.

6. Federung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerventile (7) als 3/3-Wegeventile mit einem Zuluft-, einem Verbraucher- und einem Entlüftungsanschluß ausgeführt sind, wobei der Verbraucheranschluß

• - beim Einfedern/Stauchen der Luftfedern mit dem Zuluftanschluß und
• - beim Ausfedern/Entspannen der Luftfedern mit dem Entlüftungsanschluß verbunden wird.

7. Federung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Druckanschluß (8) und der Gesamtheit der Luftfedern (3) ein Druckbegrenzer (Drosselventil 16) vorgesehen ist.

8. Federung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen den vertikalen und horizontalen Federsteifigkeiten der Luftfedern (3) 2 : 1 oder mehr beträgt.

9. Federung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Zusatz-Luftvolumen für die Luftfedern (3) vorgesehen ist.

10. Federung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei von den Luftfedern (3) getrennte Schwingungsdämpfer (4, 13) zwischen der Führerkabine (2) und dem Untergestell (1) angeordnet sind.

11. Federung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftfedern (3) mit elastischen Notfederelementen kombiniert sind.

12. Federung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Bälge der Luftfedern (3) im Querschnitt Torusform haben und daß auf der Oberseite von deren Innennabe eine Notfeder vorgesehen ist.

13. Federung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an den Ecken der Führerkabine (2) Seilsicherungen (5) gegen übermäßige Entlastung der Luftfedern (3) vorgesehen sind.