DE19841808A1

DE19841808A1 - Luftfederung für mehrere Wirkungsrichtungen mit einem Hochdruck-Zusatzluftvolumen

Info

Publication number: DE19841808A1
Application number: DE1998141808
Authority: DE
Inventors: Bernd Bergander; Herbert Haas
Original assignee: Deutsche Bahn AG
Current assignee: DB Reise and Touristik AG
Priority date: 1998-09-12
Filing date: 1998-09-12
Publication date: 2000-03-23
Anticipated expiration: 2018-09-13
Also published as: DE19841808C2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Luftfederung für mehrere Wirkungsrichtungen, vorzugsweise für Schienenfahrzeuge. Aufgabe der Erfindung ist es, das zur Verwirklichung einer genügend weichen Federung unvermiedliche Zusatzluftvolumen derart zu verringern, daß es möglichst nahe am Federbalg der Luftfederung untergebracht werden kann, um so die Nachteile eines großvolumigen Zusatzluftbehälters und langer Schlauchleitungen zu vermeiden. Dies wird dadurch erreicht, daß das Luft- bzw. Gasvolumen im Zusatzluftbehälter unter höheren Druck gesetzt wird, als er im Federbalg herrscht, und daß sich zwischen dem Federbalg, dessen Luftvolumen unter niedrigerem Druck steht, und dem Luft- bzw. Gasvolumen im Zusatzluftbehälter, das unter höherem Druck steht, ein Druckübersetzer angebracht wird. Dieser schafft ein Gleichgewicht der Kräfte zwischen den unter höherem und niedrigerem Druck stehenden Luft- bzw. Gasvolumina. Der Zusatzluftbehälter kann auch durch eine Speicherblase realisiert werden, die vom kleineren Kolben des Druckübersetzers mit Drucköl beaufschlagt wird. Zum Ausgleich von Schwankungen der statischen Last kann das Volumen dieses Drucköls vergrößert oder verkleinert werden. Der Druckübersetzer kann auch durch elastische Membranen realisiert werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Luftfederung mit einem Hochdruck-Zu satzluftvolumen, vorzugsweise für Schienenfahrzeuge, gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Für Fahrzeuge mit sehr gutem Federungs- und Schwingungs komfort hat sich im Verlauf der letzten 20 Jahre die Abstü tzung des Transportgefäßes auf Luftfedern durchgesetzt. Besonders bei Schienenfahrzeugen wird der Vorteil dieses Federtyps darin gesehen, daß die Feder

- nicht nur in Richtung der Gewichtskraft eine definierte Steifigkeit besitzt, sondern auch rechtwinklig zu dieser;
- zur Regelung der Ladungshöhe herangezogen werden kann;
- bei relativ geringem Bauvolumen des verformbaren Federkör pers hohe statische und dynamische Lasten aufnimmt.

Dadurch lassen sich Luftfedern sowohl zur Abstützung der Gewichtskraft in vertikaler Richtung als auch zur Aufnahme von in Längs- und Querrichtung zwischen Fahrwerk und Trans portgefäß wirkenden Kräfte einsetzen.

Im Zusammenhang mit steigenden Fahrgeschwindigkeiten - bei Schienenfahrzeugen dzt. bis 300 km/h - besteht die Tendenz, die Eigenfrequenzen des Transportgefäßes zu immer kleineren Werten zu verschieben; dies erfordert Federn, die in ihrer Hauptfederungsrichtung immer geringer werdende Steifigkeiten aufweisen. Folglich muß das Luftvolumen, das durch die Bewe gungen des Transportgefäßes zusammengedrückt bzw. entspannt wird, immer größer werden.

Dies wird i.a. dadurch realisiert, daß der eigentliche Federkörper - der verformbare Federbalg - mit einem starren Zusatzluftbehälter verbunden wird, dessen Inhalt unter dem gleichen statischen Druck steht wie der Federbalg und sich bei den Federbewegungen ebenfalls zusammendrückt bzw. entspannt. Das gesamte als Feder wirkende Luftvolumen setzt sich aus dem Volumen des Federbalges und dem des Zusatzluftbehälters zusammen.

Volumina des Zusatzluftbehälters von 100 bis 150 l je Feder sind jedoch schwierig im Fahrwerk unterzubringen; folglich wird der Zusatzluftbehälter häufig räumlich vom Fahrwerk - und damit vom Luftbalg - entfernt im Raum zwischen Fahrwerk und Transportgefäß untergebracht und mit dem Federbalg über Schlauchleitungen verbunden. Dies bringt eine Reihe von Nach teilen mit sich:

- Zusammen mit der Steifigkeit der Luft im Federbalg und im Zusatzluftbehälter bildet die Masse der Luft in den Schlauchleitungen ein schwingungsfähiges System, dessen Eigenfrequenz die Abstimmung der Federung stört und der Federung eine frequenzabhängige Steifigkeit verleiht;
- der Zusatzluftbehälter unterliegt i.a. der Druckbehälter-Ver ordnung, was zu konstruktiven Einschränkungen führt;
- bei Abbau des Fahrwerks müssen die Leitungen gelöst werden;
- die Dichtigkeit der Leitungen muß kontrolliert werden;
- bei modernen Schienenfahrzeugen ist der Raum zwischen Fahr werk und Transportgefäß derart mit Bauelementen ausgefüllt, daß die Unterbringung großer Volumina schwierig bis unmöglich ist.

Mit Hinblick auf Vermeidung der genannten Nachteile liegt es nahe, von der Tatsache Gebrauch zu machen, daß bei hohem Druck des federnden Gaspolsters zur Aufnahme einer bestimmten Arbeit eine geringere Volumenänderung und ein geringeres Aus gangsvolumen erforderlich sind als bei geringem Druck des federnden Gaspolsters. Mit Hochdruck arbeitende Luftfedern werden bei Verkehrsfahrzeugen - besonders bei Personenkraft wagen - häufig vorteilhaft eingesetzt. Der Stand der Technik wird daher anhand von Kraftfahrzeug-Luftfedern dargestellt. Beispielhaft werden folgende Patentschriften genannt:

Die Patentschrift DE 41 20 758 A1 betrifft eine hydropneuma tische Luftfederung für große Achslastspreizungen. Die Anord nung stellt eine konstante Eigenfrequenz der Aufbaumasse auch bei unterschiedlichen Lasten und Lastverteilungen sicher und gestattet es, die Höhe der Aufbaumasse zu regulieren (sog. Niveauregulierung). Die Anordnung wirkt jedoch nur in einer Richtung.

Die Patentschrift DE 44 01 770 A1 betrifft ein selbstpumpen des Federbein mit Niveauregulierung. Auch diese Erfindung vereint Elemente der Hydraulik und der Pneumatik, wobei die Aufgaben beider voneinander getrennt sind. Elementen der Pneumatik realisieren die Federung, diejenigen der Hydraulik die Dämpfung. Die Hydraulik wird nicht zur Beeinflussung der Federungscharakteristik genutzt.

Die Patentschrift EP 0 257 779 B1 betrifft einen Luftfeder dämpfer für Fahrzeugfederungen. Das Federelement enthält meh rere Luftkammern mit unterschiedlichen Volumina, durch die die unterschiedlichen Eigenfrequenzen und Dämpfungen des Fahrzeugaufbaus einerseits und der Radführungselemente ande rerseits verwirklicht werden. Auch diese Federung hat nur eine einzige Wirkungsrichtung.

Die Beschreibung des Standes der Technik zeigt, daß an Fede rungen von Straßenkraftfahrzeugen im Vergleich zu einem Schienenfahrzeug geringere Anforderungen gestellt werden, da ein Federelement nur eine einzige Wirkungsrichtung besitzen muß, nämlich diejenige der Gewichtskraft. Eine Schienenfahr zeugfeder, die das Transportgefäß gegenüber dem Fahrwerk ab stützt, muß jedoch im allgemeinen auch in den Richtungen längs und waagerecht/quer nachgiebig sein. Dies wird durch den Federbalg gewährleistet, der aus obengenannten Gründen mit einem Zusatzluftbehälter verbunden sein muß.

Es besteht daher die Aufgabe, den Zusatzluftbehälter derart zu gestalten, daß er unter Vermeidung langer Schlauchleitun gen in unmittelbarer raumlicher Nähe des Federbalges unterge bracht werden kann. Dies setzt voraus, die Baugröße des Zusatzluftbehälters erheblich zu verringern, und geschieht dadurch, daß das im Zusatzluftbehälter enthaltene Gas unter einen höheren Druck als die im Federbalg enthaltene Luft gesetzt wird. Die dafür erforderliche Anordnung geht aus Fig. 1 hervor.

Der Federbalg mit der aktiven Querschnittsfläche A_B (1) um schließt das Volumen V_n (4) mit dem niederigen Druck p_n. Der Zusatzluftbehälter umschließt das Volumen V_h (5), das unter hohem Druck p_h steht. Niederdruckvolumen (4) und Hochdruckvo lumen (5) werden durch den Druckübersetzer in Form eines Stufenkolbens verbunden, dessen größere Fläche A_n (2) dem Niederdruckvolumen V_n (4) des Federbalges und dessen kleinere Fläche A_h (3) dem Hochdruckvolumen V_h (5) des Zusatzluft behälters zugewandt ist; das Verhältnis der Kolbenflächen ist dem der Drücke reziprok:

p_n/p_h = A_h/A_n.

Der Druckübersetzer sorgt dafür, daß ein Gleichgewicht der Kräfte zwischen dem Niederdruckvolumen V_n (4) des Luftbalges mit dem Druck p_n und dem Hochdruckvolumen V_h (5) des Zusatz behälters mit dem Druck p_h herrscht.

Fig. 2 stellt vereinfachend dar:

- Den Luftbalg mit seinem Volumen V_n (4), in dem der Druck p_n herrscht und der über den aktiven Balgquerschnitt (1), dessen Fläche die Größe A_B hat, mit dem nicht dargestellten Fahrwerk verbunden ist;
- das vom Zusatzluftbehälter umschlossene Hochdruckgasvolumen V_h (5), in dem der Druck p_h herrscht;
- den Druckübersetzer mit dem Stufenkolben; dessen größerer Kolben (2) mit der Querschnittsfläche A_n ist dem Nieder druckvolumen (4) des Luftbalges zugewandt; sein kleinerer Kolben (3) mit der Querschnittsfläche A_h ist dem Hoch druckgasvolumen (5) zugewandt.

Zur Realisierung dieses Vorschlages kann auf ausgereifte han delsübliche Elemente z. B. der Hydropneumatik zurückgegriffen werden. In diesem Fall wird der Zusatzluftbehälter durch eine Speicherblase realisiert, die durch Drucköl (7) beaufschlagt wird, das auch unter dem Druck p_h steht. Zum Ausgleich von Schwankungen der statischen Last kann dem Volumen zwischen der Speicherblase (5) und dem dem Kolben (3) des Drucküber setzers Öl aus dem Vorratsbehälter (6) zugeführt werden.

Bezugszeichenliste

1

Aktiver Balgquerschnitt des Federbalges

2

Kolben mit der großen, dem Luftvolumen (

4

) im Feder balg zugekehrten Querschnittsfläche des Druckübersetzers

3

Kolben mit der kleinen, dem Luft- bzw. Gasvolumen (

5

) im Zusatzluftbehälter zugekehrten Querschnittsfläche des Druckübersetzers

4

Luftvolumen im Federbalg

5

Luft- bzw. Gasvolumen im Zusatzluftbehälter

6

Vorratsbehälter für Drucköl

7

Drucköl zwischen dem Luft- bzw. Gasvolumen (

5

) im Zusatzluftbehälter und dem Koben mit der kleineren Querschnittsfläche (

3

) des Druckübersetzers

8

Speicherblase, die die Funktion des Zusatzluftvolumens wahrnimmt
A_B

Fläche des aktiven Querschnitts des Federbalges
A_n

Querschnittsfläche des größeren Kolbens des Drucküber setzers, der dem Luftvolumen (

4

) im Federbalg zugewandt ist
A_h

Querschnittsfläche des kleineren Kolbens des Drucküber setzers, der dem Luft- bzw. Gasvolumen (

5

) im Zusatz luftbehälter zugewandt ist
p_n

Druck des Luftvolumens (

4

) im Federbalg
p_h

Druck des Luft- bzw. Gasvolumens (

5

) im Zusatzluft behälter.

Claims

1. Luftfederung für mehrere Wirkungsrichtungen mit einem Hochdruck-Zusatzluftvolumen, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftbalg, der das unter dem niedrigen Druck p_n ste hende Volumen V_n (1) einschließt, mit dem Zusatzbehälter, der das unter dem hohen Druck p_h stehende Gasvolumen V_h (5) einschließt, durch einen Druckübersetzer, bestehend aus einem Stufenkolben, dessen große Kolbenfläche A_n (2) dem Niederdruckvolumen V_n (1) und dessen kleine Kolbenflä che A_h (3) dem Hochdruckvolumen V_h (5) zugewandt ist, verbunden ist; das Verhältnis der Kolbenflächen von (2) und (3) ist dem der Drücke p_n und p_h reziprok:
p_n/p_h = A_h/A_n.

2. Luftfederung für mehrere Wirkungsrichtungen mit einem Hochdruck-Zusatzluftvolumen nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß das Hochdruck-Zusatzluftvolumen (5) durch eine Speicherblase (8) realisiert wird, die der Kolben (3) des Druckübersetzers mit der kleinen Quer schnittsfläche A_h mit Drucköl (7), das unter dem Druck p_h steht, beaufschlagt.

3. Luftfederung für mehrere Wirkungsrichtungen mit einem Hochdruck-Zusatzluftvolumen nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Ausgleich von Schwankungen der statischen Last das Volumen des Drucköls (7) zwischen dem unter dem Druck p_h stehenden Zusatzluftvolumen (5) und dem Kolben (3) mit der Querschnittsfläche A_h geändert werden kann, indem aus dem Vorratsbehälter (6) Öl zugeführt oder Öl in den Vorratsbehälter (6) abgegeben wird.

4. Luftfederung für mehrere Wirkungsrichtungen mit einem Hochdruck-Zusatzluftvolumen nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß einer der beiden Kolben des Druckübersetzers - der Kolben (2) mit der größeren Quer schnittsfläche A_n oder der Kolben (3) mit der kleineren Querschnittsfläche A_h - oder beide Kolben des Drucküber setzers durch flexible Membranen realisiert wird bzw. realisiert werden.