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Die Erfindung betrifft eine Federungsvorrichtung für ein Schienenfahrzeug, welche im Bereich eines Rades zwischen einem Radlager und einem Drehgestellrahmen als Primärfederung und/oder zwischen dem Drehgestellrahmen und dem Fahrzeugkasten bzw. einem dem Fahrzeugkasten zugeordneten Bauteil als Sekundärfederung vorgesehen ist, bestehend aus zumindest einer Hauptfeder und zumindest einer zu dieser Hauptfeder in Serie geschalteten Zusatzfedervorrich- tung.
Federungsvorrichtungen, beispielsweise für eine Achsfederung, dienen für die Abstützung des Fahrzeugaufbaus gegenüber den Achsen. Durch die Federung wird unter anderem die Erhöhung des Fahrkomforts, der Lebensdauer und der Fahrsicherheit erreicht, gleichzeitig gleicht die Fede- rung die statische Überbestimmung der Räder aus. Die Federung isoliert den Aufbau von hochfre- quenten Schwingungen der Räder, bei einer langwelligen Fahrbahnkontur soll der Aufbau aller- dings den Rädern nachgeführt werden.
Insbesondere bei Schienenfahrzeugen steigen die Anforderungen an die Federungsvorrichtun- gen immer mehr. Gleichzeitig verringert sich aber der zur Verfügung stehende Bauraum. Dieser Konflikt lässt sich mit herkömmlichen, derzeit bekannten Federungen aber kaum mehr bewältigen.
Die speziellen Anforderungen an die Federungen bestehen insbesondere in einer hohen Zula- dung, steigenden Grenzgeschwindigkeiten bei definierten Beschleunigungen im Fahrwerk und Wagenkasten, einer guten Wankstabilisierung, grossem Federweg, sowie einer geringen, progres- siven Vertikalsteifigkeit der Federung. Ausserdem sind noch eine beladungsunabhängige Position der Fussbodenoberkante (FOK), beispielsweise bei Schienenfahrzeugen zum Personentransport, sowie eine definierte Lateralsteifigkeit wünschenswert.
Zur Zeit werden Luftfedern mit einer seriellen Notfeder, gemeinsam mit oder ohne Wankstabili- satoren beispielsweise in Form von Qrehstabfedern, eingesetzt. Aufgrund des relativ geringen, in der Praxis realisierbaren Luftdruckes (über 10 bar Verletzungsgefahr) bei den Luftfedern ist aller- dings ein grosser Wirkdurchmesser der Federn erforderlich, was häufig zu Problemen mit dem zur Verfügung stehenden Bauraum führt.
Die serielle Schaltung von Schraubenfedern ist beispielsweise aus der US 3 603 610 A be- kannt, mit dieser Federungsvorrichtung ist allerdings kein progressives Verhalten der Federung zu erzielen und auch eine Niveauregulierung kann mit dieser Federung nicht erreicht werden.
Weiters kommen auch Schrauben- oder Gummifedern mit progressiver Kennlinie zum Einsatz; mit diesen kann allerdings die Forderung nach einer beladungsunabhängigen FOK nicht erfüllt werden.
Schliesslich kommen auch noch niveauregulierbare hydropneumatische Federn, wie z. B. in der DE 1 430 836 A gezeigt, eventuell gemeinsam mit parallel dazu geschalteten, vorgespannten Notfedern zum Einsatz. Allerdings kann auf diese Weise der vorhandene Federweg nicht optimal ausgenutzt werden, was wiederum eine höhere Notfedersteifigkeit notwendig macht. Beispiele für solche Parallelschaltungen sind beispielsweise in der US 4 245 563 A, DE 196 51 138 A1 oder DE 1 430 836 A gezeigt.
Ein Beispiel für eine Niveauregulierung ist ausserdem in der US 2 592 391 A gezeigt, allerdings ist mit dieser Federung kein progressives Verhalten zu erzielen.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Federungsvorrichtung zu schaffen, welche eine pro- gressive Federkennlinie liefert, eine beladungsunabhängige Positionierung der FOK erlaubt, und geringe Vertikalsteifigkeiten der verwendeten Federn zulässt.
Diese Aufgabe wird mit einer eingangs erwähnten Federungsvorrichtung dadurch gelöst, dass erfindungsgemäss die zumindest eine Hauptfeder eine hydropneumatische Feder ist, welche mit der Zusatzfedervorrichtung in Serie geschaltet ist.
Durch die Verwendung einer hydropneumatischen Feder als Hauptfeder, die aufgrund ihres prinzipiellen Verhaltens der Federkennlinie progressiv ist, lässt sich die Position der FOK durch Nachpumpen von Hydraulikflüssigkeit unabhängig von der Beladung einstellen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Federungen, bei denen im "Normalbetrieb" nur die Hauptfeder Federungsarbeit verrichtet und die Zusatzfeder eine reine Notfeder ist, die nur beim Ausfall der Hauptfeder zum Einsatz kommt, verrichtet bei der Erfindung in Folge der serielle Anordnung der Federn auch die Zusatzfeder bzw. das Zusatzfedersystem Federarbeit. Durch die serielle Anordnung lassen sich geringe Vertikalsummensteifigkeiten der Federungsvorrichtung erreichen.
Um ein Durchschlagen der Federung insbesondere im Not- bzw. Zusatzfederbetrieb zu verhin-
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dem, ist es zweckmässig, wenn die Zusatzfedervorrichtung eine Federkennlinie mit einem progres- siven Anstieg aufweist.
Bei einer ersten Ausführungsform umfasst die Zusatzfedervorrichtung zumindest eine Gummi- feder.
Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung umfasst die Zusatzfedervorrichtung zumin- dest eine Schraubenfeder.
Insbesondere kann natürlich auch vorgesehen sein, dass die Zusatzfedervorrichtung eine Gummifeder-Schraubenfeder-Kombination ist.
Bei einer konkreten, erprobten Ausführungsform der Erfindung besteht die hydropneumatische Feder im wesentlichen aus einem Endteil, welcher mit einem Kolben verbunden ist, wobei der Kolben in einem Zylinder verschiebbar ist, und wobei sich bei einem Verschieben des Kolbens ein von diesem und dem Zylinder begrenztes Hydraulikvolumen verändert.
Hinsichtlich des zur Verfügung stehenden Bauraums und der einfachen Handhabung der hyd- ropneumatischen Feder ist es günstig, wenn durch den Kolben zumindest eine Hydraulikleitung geführt ist, welche das Hydraulikvolumen mit einem Federgasbehälter verbindet. Die Leitungen sind dabei üblicherweise als Bohrungen in dem Zylinder ausgeführt. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn dabei zwei oder auch mehr Leitungen (Bohrungen) durch den Kolben geführt sind, da auf diese Weise die Leitungen sowie der Arbeitshohlraum spülbar sind.
Bei einer erprobten Ausführungsform befindet sich in eingebautem Zustand der Endteil der hydropneumatischen Feder in einer oberen Position und das Hydraulikvolumen in einer unteren Position, und der Federgasbehälter ist im Bereich des oberen Endteiles angeordnet. Mit dieser Anordnung wird eine feste Verrohrung des Federgasbehälters möglich, die im Gegensatz zu einer Verbindung des Federgasbehälters über einen Schlauch, wie sie auf Grund der Relativbewegung des Federgasbehälters zum Rest der hydropneumatischen Feder bei einer Anordnung im unteren Bereich notwendig wäre, wesentlich stabiler und unanfälliger gegen Beschädigungen ist.
Günstig ist es, wenn die hydropneumatische Feder über ein Verbindungselement mit der Zu- satzfedervorrichtung verbunden ist. Auf diese Weise lassen sich die beiden Federungen leicht voneinander trennen, sodass etwa bei einer unterschiedlichen Lebensdauer der einzelnen Kompo- nenten nur eine davon und nicht die gesamte Federungsvorrichtung ausgetauscht werden muss.
Ebenso wird grundsätzlich die Wartung erleichtert, da zu Wartungszwecken lediglich eine Feder und nicht die gesamte Federungsvorrichtung ausgebaut werden muss.
Bei einer konkreten Ausführungsform weist dabei das Verbindungselement eine Aufnahme für den Zylinder der hydropneumatischen Feder auf, in welche der Zylinder eingepasst ist. Bei dieser Ausgestaltungsform kann im Grunde eine beliebige hydropneumatische Feder für die Erfindung verwendet werden, und es ist lediglich das Verbindungselement entsprechend an die hydropneu- matische Hauptfeder anzupassen.
Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform weist das Verbindungselement eine zylinder- förmige Öffnung für den Kolben auf. In diesem Fall ist praktisch das Verbindungselement ein Teil der hydropneumatischen Feder, ein zusätzlicher Zylinder, in dem sich der Kolben bewegen kann, ist nicht notwendig. Günstig ist diese Ausgestaltung besonders aus dem Grund, da die Erfindung mit weniger Bauteile realisiert werden kann.
Der Zylinder der hydropneumatischen Feder - unabhängig davon, ob er getrennt oder einstü- ckig mit dem Verbindungselement ausgebildet ist-, ist in einem oberen Bereich mit einem Zylin- derkopf dichtend abgeschlossen ist (Plunger-Bauform). Auf diese Weise ist keine Dichtung des Kolbens gegen die Zylinderwand notwendig, sodass die Federungswirkung durch keine zusätzliche Reibung beeinträchtigt wird.
Bei einer besonders platzsparenden Ausgestaltung der Erfindung ist die Zusatzfedervorrich- tung eine Schraubenfeder, wobei das Verbindungselement mit der hydropneumatischen Feder zumindest teilweise im Inneren der Schraubenfeder angeordnet ist.
Dabei liegt das Verbindungselement in einem oberen Bereich der Schraubenfeder auf.
Damit das Verbindungselement gegen ein seitliches Verrutschen auf der Schraubenfeder gesi- chert ist, weist sie in dem Auflagebereich zumindest bereichsweise nach unten ragende Fortsätze auf.
Bei einer anderen Ausführungsform ist die Zusatzfedervorrichtung als Gummifeder ausgebildet, welche eine Öffnung aufweist, in welche das Verbindungselement mit der hydropneumatischen
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Feder zumindest mit Bereichen eingepasst ist. Beispielsweise ist diese Öffnung zylinderförmig und das Verbindungselement ist zentrisch eingepasst, mit einer Stirnauflauffläche im oberen Bereich, mit der ein Durchrutschen des Verbindungselementes verhindert wird.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Zusatz-Gummifeder ist die Öffnung ke- gelförmig mit einem sich nach unten verjüngenden Querschnitt ausgebildet, wodurch ein nach unten Rutschen ohne zusätzliche Massnahmen verhindert ist und ein stabiler Sitz des Verbin- dungselementes gegeben ist.
Zuverlässig kann ein Durchschlagen der Federungsvorrichtung verhindert werden, wenn die Zusatzfedervorrichtung in ihrem unteren Bereich einen als Gummipuffer ausgebildeten Anschlag aufweist.
Weiters umfasst die Federungsvorrichtung zur seitlichen Federung noch zumindest eine Late- ralfeder, die beispielsweise als Gummifeder ausgebildet ist. Die Trennung der Federung in Hinblick auf horizontale und vertikale Richtung weist den Vorteil auf, dass die Federungen hinsichtlich ihrer Steifigkeiten nahezu unabhängig voneinander dimensioniert werden können.
Weiters betrifft die Erfindung noch eine Federungsanordnung mit oben beschriebenen Fede- rungsvorrichtungen, bei der zwei oder mehrere Hydraulikeinheiten von hydropneumatischen Fe- dern der Federungsvorrichtungen über eine Synchronisiereinheit mit einem gemeinsamen Feder- gasbehälter in Verbindung stehen. Für Hydraulikeinheiten, welche über eine Synchronisiereinheit mit einem gemeinsamen Federgasbehälter in Verbindung stehen, ist auch bei ungleicher Belas- tung ein gleichmässiges Einfedern möglich, wodurch eine Stabilisierung von unerwünschten Bewe- gungen des Fahrzeugs, wie etwa ein Wanken oder Nicken unabhängig von Tauchbewegungen des Fahrzeugs ohne zusätzliche notwendige Wankstabilisatoren etc. ermöglicht wird.
Bei einer besonders einfach und kostengünstig zu realisierenden Ausgestaltung der Fede- rungsvorrichtung weist die Synchronisiereinheit einen Hohlraum auf, welcher durch einen frei verschiebbaren Kolben in zumindest drei voneinander unabhängige Teilhohlräume getrennt ist, wobei zumindest einer dieser Teilhohlräume mit einem Federgasbehälter verbunden ist, und zu- mindest zwei der anderen Teilhohlräume jeweils mit zumindest einer Hydraulikeinheit eines Feder- elements verbunden sind.
Um ein Fahrzeug gegen Wanken zu stabilisieren, ist es von Vorteil, wenn Hydraulikeinheiten an gegenüberliegenden Seiten einer Radachse mittels einer Synchronisiereinheit mit einem ge- meinsamen Federgasbehälter verbunden sind.
Für Schienenfahrzeuge, die nur schwache Anfahr- oder Verzögerungskräfte erfahren, ist es dabei günstig, wenn die Hydraulikeinheiten einer Fahrzeugseite über eine gemeinsame Leitung in Kontakt stehen und die beiden Leitungen der jeweiligen Fahrzeugseite über eine gemeinsame Synchronisiereinheit mit einem Federgasbehälter verbunden sind, da auf diese konstruktiv einfa- che Art und Weise ein Wanken unabhängig von Tauchbewegungen gefedert werden kann.
Um neben Wankbewegungen auch noch Nickbewegungen zu stabilisieren, ist es notwendig, dass jeweils zwei Hydraulikeinheiten, welche an diagonal gegenüberliegenden Rädern angeordnet sind, über jeweils eine Synchronisiereinheit mit einem gemeinsamen Federgasbehälter verbunden sind. Bei dieser Verschaltung bleibt das Fahrwerk zusätzlich noch verwindbar, was in Hinblick auf häufig auftretende Verwindungen von Schienen günstig ist.
Von Vorteil kann es auch sein, wenn jede Hydraulikeinheit genau einen Federgasbehälter be- sitzt. Mit dieser Anordnung können alle Räder eines Fahrwerks oder eines Fahrzeugs separat abgefedert werden, eine Wank- oder Nickstabilisierung des Fahrzeugs ist allerdings ohne zusätzli- che Stabilisierungseinrichtungen nicht möglich.
Üblicherweise sind dabei jeweils die Arbeitshohlräume der Hydraulikeinheiten miteinander ver- bunden.
Im folgenden ist die Erfindung an Hand der Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen Fig. 1 eine prinzipielle, erfindungsgemässe Anordnung einer hydropneumatischen Feder in Serie zu einer Zusatzfeder, Fig. 2 eine Ausführungsform einer erfindungsgemässen Federungsvorrichtung mit einer hydro- pneumatische Feder in Serie zu einer Schraubenfeder, Fig. 3 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemässen Federungsvorrichtung mit einer hydropneumatische Feder in Serie zu einer Gummifeder, Fig. 4 eine beispielhafte, prinzipielle Anordnung einer erfindungsgemässen Federungsvorrichtung
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bei einem Schienenfahrzeug, Fig. 5 - Fig. 7 schematisch die Verschaltung der hydropneumatischen Federn mehrerer erfin- dungsgemässer Federungsvorrichtungen, und Fig. 8 den schematischen Aufbau einer Synchronisiereinheit.
Die Fig. 1 zeigt in einer prinzipiellen Darstellung eine erfindungsgemässe Federungsvorrichtung 100, bei der in serieller Anordnung eine hydropneumatische Feder 1 sowie eine Zusatzfeder 2, die hier als Schraubenfeder dargestellt ist, miteinander verbunden sind. Diese Federungsvorrichtung 100 ist zwischen zwei relativ zueinander beweglichen Orten 3,4, beispielsweise zwischen Fahr- zeugaufbau und Radsatz, angeordnet. Die hydropneumatische Feder 1 ist dabei in bekannter Weise über eine Hydraulikleitung 5 mit einem Federgasbehälter 6 verbunden, der mittels eines Trennelementes 9 in einen Gasraum 7 sowie eine Hydraulikraum 8 unterteilt ist, wie dies schema- tisch angedeutet ist.
Diese Anordnung weist gegenüber einer Federungsvorrichtung, bei der eine Hauptfeder paral- lel zu einer Zusatzfeder angeordnet ist, einige wesentliche Vorteile auf, wie im folgenden unter anderem erläutert.
Die hydropneumatische Feder weist in Vertikalrichtung eine progressive, d. h. eine beladungs- abhängige Federkennlinie auf, wodurch der zur Verfügung stehende Bauraum optimal ausgenutzt werden kann. Durch ein Nachpumpen von Hydraulikflüssigkeit, beispielsweise Öl, in den Hydrau- likkreislauf der hydropneumatischen Feder ist eine Niveauregulierung möglich, sodass die FOK beladungsunabhängig auf konstantem Niveau gehalten werden kann.
Als Arbeitsmedium bzw. Kraftübertragungsmedium wird eine Hydraulikflüssigkeit, im allgemei- nen ein Öl, gewählt, da die im wesentlichen inkompressiblen Flüssigkeiten unter hohen Drücken eingesetzt werden können, und dadurch die Federungsvorrichtung hinsichtlich des notwendigen Bauraums klein gehalten werden kann. Gas ist vor allem deshalb als Federmedium gewählt, da es kompressibel ist und ein progressives Verhalten zeigt, und somit ein optimales Ausnützen der Federwege gewährleistet.
Durch die progressive Kennlinie der hydropneumatischen Feder 1 lassen sich im Vergleich zu herkömmlichen bekannten Anordnungen Federn mit geringerer Vertikalsteifigkeit verwenden, wodurch sich eine erhöhte Entgleisungssicherheit des Schienenfahrzeuges und ein höherer Fahr- komfort ergeben.
Die sich daraus ergebende sinkende Wanksteifigkeit der Federungsvorrichtung 1 lässt sich da- durch ausgleichen, dass mehrere hydropneumatische Federn an einem Schienenfahrzeug, etwa an einem Waggon, miteinander verschaltet sind, wie dies beispielsweise in der EP 1 029 764 A2 der Anmelderin und weiter unten in der Beschreibung noch ausführlich erläutert ist.
Grundsätzlich ist es möglich, gegen unerwünschtes Wanken auch Wankstabilisatoren zu ver- wenden. Allerdings ist es dann notwendig, Zusatzfeder (n) entsprechend geringer Vertikalsteifigkeit zu verwenden, um die Steifigkeit der Wankstabilisatoren zu kompensieren ; werden allerdings die Zusatzfedern in der Regel zu weich, was sich für den Notfederbetrieb als nachteilig und unerwünscht herausstellt. Wesentlich günstiger ist es, mehrere hydropneumatische Federn miteinander zu verschalten, da dann die Wankkräfte von dem Hydraulikmedium aufgenommen werden. Die maximal verwirklichbare Wanksteifigkeit ist im Falle des Ausfalls der Hauptfeder durch die in Serie geschaltete Zusatzfeder 2 gegeben.
Falls noch geringere Wanksteifigkeiten als grund- sätzlich erzielbar gewünscht sind, lassen sich noch eine oder mehrere zusätzliche Wankblasen im Hydrauliksystem anbringen, in welche Hydraulikflüssigkeit entsprechend abfliessen kann.
Eine Vertikaldämpfung der Federungsvorrichtung lässt sich schliesslich noch in bekannter Wei- se durch Drosselung des Hydraulikstromes erreichen.
Durch die Serienschaltung ist die Zusatzfeder 2 immer entsprechend dem aktuellen Bela- dungszustand vorgespannt, sodass kein Vertikalfederweg unnötig durch eine zusätzliche Vorspan- nung der Zusatzfeder wie bei parallelen Systemen vergeudet wird. Dadurch kann die Zusatzfeder 2 mit geringerer Vertikalsteifigkeit ausgelegt werden, sodass auch im Falle des Ausfalls der Hauptfe- der 1, also im reinen Zusatz- bzw. Notfederbetrieb, eine höhere Entgleisungssicherheit gegeben ist.
Die serielle Zusatzfeder 2 übernimmt auch im Normalbetrieb - im Gegensatz zu parallelen Fe- deranordnungen - einen Teil der Federarbeit, und durch entsprechende Steifigkeitsverteilungen bei den einzelnen Federn in einer Federungsvorrichtung lassen sich niedrige Summensteifigkeiten
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erzielen.
Die Fig. 2 zeigt eine erste konkrete Ausführungsform einer erfindungsgemässen Federungsvor- richtung 30, bestehend aus einer hydropneumatischen Hauptfeder 31 und einer dazu in Serie geschalteten Zusatzfeder 32, die hier als Schraubenfeder ausgebildet ist. In ihrem oberen Bereich weist die hydropneumatische Feder 31 ein Endstück 33 auf, welches mit Befestigungsmitteln 33', etwa Schrauben oder Bolzen, beispielsweise mit einem Wagenkasten verbunden ist.
Das Endstück 33 ist mit einem Kolben 34 verbunden, welcher in einem Zylinder 38 in Vertikal- richtung verschiebbar ist, sodass sich ein mit einer Hydraulikflüssigkeit, beispielsweise Öl, gefülltes Volumen 35 - im folgenden auch als Arbeitshohlraum bezeichnet - in dem Zylinder 38 verändern kann. Dieses Hydraulikvolumen 35 steht über Hydraulikleitungen 36, in diesem Fall über zwei Leitungen, mit einem - aber auch mehreren - in der Figur nicht dargestellten Federgasbehälter, der beispielsweise durch ein als Membran ausgebildetes Trennteil in einen Gasraum und einen Hyd- raulikraum unterteilt ist, in Verbindung. Grundsätzlich ist aber auch nur eine Hydraulikleitung 36 denkbar, zwei oder mehr Leitungen bieten allerdings den Vorteil, dass das Volumen 35 spülbar wird.
Der Kolben 34 ist vorzugsweise als Kolbenstange ausgebildet, die in ihrem unteren Bereich, der sich im Zylinder 38 befindet, Führungsbänder 46 aufweist. Der Kolben 34 ist gegen den Zylin- der 38 nicht abgedichtet, sodass hier auch keine nachteilige Dichtungsreibung auftritt.
Zum Schutz vor Verschmutzung der Kolbenstange 34 bzw. dem Eindringen von Schmutz in das Hydraulikvolumen 35 ist diese in ihrem oberen, aus dem Zylinder 35 herausragenden Bereich von einem Faltenbalg 37 umgeben. Der Faltenbalg 37 ist dabei in seinem oberen Bereich dichtend mit dem Endstück 33 verbunden, an seinem unteren Ende ist er ebenso mit einem Zylinderkopf 40 verbunden. Mit dem Zylinderkopf 40 ist die Kolbenstange 34 gegen den Zylinder 38 abgedichtet.
Dazu weist der Zylinderkopf 40 Führungsringe 42 sowie Dichtungsringe 43 für die Kolbenstange 34 auf. Oberhalb der Dichtungs- und Führungsringe ist noch ein Schmutzabstreifer 47 vorhanden, sodass möglicherweise doch auf die Kolbenstange 34 gelangender Schmutz an diesem abgestreift wird.
Die Anordnung der Dichtung in einem oberen Bereich weist insbesondere den Vorteil auf, dass allfälliger Schmutz sich nach unten, von der Dichtung weg bewegt, sodass deren Funktion von dem Schmutz nicht beeinträchtigt wird.
Der Zylinderkopf 40 ist mittels Befestigungsmitteln 41, beispielsweise Schrauben, mit einem Verbindungselement 39 fest verbunden, welches mit oberen Bereichen 39' auf dem obersten Schraubengang der Schraubenfeder 32 aufliegt. Mit Beilagscheiben 49 kann weiters noch die Einbauhöhe des Zylinders 40 beeinflusst werden und somit im Rahmen einer Fahrzeugwartung beispielsweise in Hinblick auf einen Radverschleiss angepasst werden.
Das Verbindungselement 35 beispielsweise zylinder- oder kegelförmig, die Gestalt ist aber grundsätzlich beliebig, und üblicherweise aus einem Metall gebildet. In seinem oberen Bereich 39' weist das Verbindungselement einen nach unten gerichteten, umlaufenden Vorsprung 39" auf, mit dem es gegen ein seitliches Verrutschen auf der Schraubenfeder 32 gesichert ist.
Beispielsweise bei einem Einfederungsvorgang wird die auf die hydropneumatische Feder, d.h. auf das Endstück 33 einwirkende Kraft über den Kolben 34 und anschliessend über die Führungs- ringe 42 sowie den Zylinderkopf 40 auf das Verbindungselement 39 und von diesem dann auf die Schraubenfeder 32 übertragen.
Das Verbindungselement 35 kann mit der Schraubenfeder 32 auch hinsichtlich vertikaler Be- wegungen fest verbunden sein, allerdings ist dies nicht notwendig, da die hydropneumatische Feder 31 ohnedies nur auf Druck belastbar ist und daher ein Abheben der Feder 31 und des Ver- bindungselementes 35 von der Schraubenfeder nicht stattfinden kann.
Gemäss der Darstellung in Fig. 2 und später noch in Fig. 3 ist die hydropneumatische Feder von dem Verbindungselement 39 getrennt ausgebildet und von diesem ist der Zylinder 38, in dem sich der Kolben 34 bewegen kann, aufgenommen. Bei einer anderen, ebenfalls vorteilhaften Ausfüh- rungsform, die allerdings in der Zeichnung nicht dargestellt ist, ist der Zylinder 38 nicht getrennt von dem Verbindungselement 39 ausgebildet, sondern dieses weist eine zylinderförmige Ausneh- mung auf, in der sich der Kolben 34 dann bewegen kann, und diese Ausnehmung begrenzt dann auch das Arbeitsvolumen bis auf die obere Seite, die von dem Kolben 34 abgeschlossen wird. Bei einer solchen Ausgestaltung ist dann natürlich das Verbindungselement 39 unmittelbar Bestandteil
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der hydropneumatischen Feder.
Die Schraubenfeder 32 ihrerseits liegt in ihrem unteren Bereich auf einer Verbindungsplatte 44 auf, welche entsprechend an die Schraubengänge der Feder 32 angepasste Vertiefungen aufweist.
Das Verbindungselement 44 ist an seiner Unterseite mit einer Lateralfeder 50 verbunden, welche zur seitlichen Federung dient ; der Regel handelt es sich dabei um eine oder mehrere Gummife- dern.
Allerdings kann auf ein Verbindungselement 44 wie dargestellt auch verzichtet werden, und die Feder 32 liegt einfach in Vertiefungen auf der Gummifeder 50 auf.
Schliesslich ist noch ein Gummipuffer 51 vorgesehen, auf den bei sehr hohen Belastungen der Verbindungszylinder 35 auftrifft. Dadurch kann ein Durchschlagen der Federung verhindert wer- den, da der Gummipuffer 51 sehr steif in Vertikalrichtung gewählt werden kann, und so eine sehr progressive Federkennlinie der Federungsvorrichtung 30 für den Fall des Anschlagens erreichbar ist. Dabei kann vorgesehen sein, dass der Gummipuffer 51 lediglich als Anschlag dient, es kann aber auch vorgesehen sein, dass im Zusatzfederbetrieb der Gummipuffer 51 bereits mitfedert.
Schliesslich ist noch ein Verbindungsmittel 52, wiederum eine Schraube oder ein Bolzen, dar- gestellt, mit dem die Federungsvorrichtung dann beispielsweise mit einem Radsatz, wie etwa in Fig. 4 schematisch angedeutet, fest verbunden werden kann. Die Lateralfeder 50 ist dabei gemäss Fig. 2 bzw. Fig. 3 an ihrer Unterseite noch mit einer beispielsweise aufvulkanisierten Blechplatte 53 versehen.
In Fig. 3 ist eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemässen Federungsvorrichtung 60 dargestellt, die wiederum aus einer hydropneumatischen Feder 61 besteht, die den selben Aufbau wie jene in Fig. 2 aufweist, und auf welchen daher hier nicht näher eingegangen wird, sowie einer Zusatzfeder 62, die als Gummifeder ausgebildet ist und in vertikaler Richtung federt. Die hydro- pneumatische Feder 61 ist über ein Verbindungselement 63 - welches wiederum wie oben be- schrieben unmittelbar Bestandteil der hydropneumatischen Feder 61 sein kann - mit der Gummife- der 62 in Serie geschaltet verbunden. Wie der Zeichnung zu entnehmen, weist dabei die Gummi- feder 62 in ihrem Inneren eine kegelförmige Ausnehmung auf, die sich nach unten hin im Quer- schnitt verjüngt.
Das Verbindungselement 63 weist eine entsprechende Aussengestalt auf, sodass er gemeinsam mit der hydropneumatischen Feder 61 lediglich in diese Ausnehmung der Gummife- der 62 "eingesteckt" werden muss ; zusätzliche Befestigungen können vorgesehen sein, sind aber nicht notwendig, da wie oben bereits ausgeführt die Federungsvorrichtung nur auf Druck belastbar ist. Der restliche Aufbau dieser Ausführungsform ist ident zu jener in Fig. 2, weshalb hier nicht näher darauf eingegangen werden muss.
Die Ausnehmung in der Gummifeder 62 kann beispielsweise auch zylinderförmig sein, in wel- che das Verbindungselement zentrisch eingepasst wird. Das Verbindungselement 63 weist dann beispielsweise Stirnauflaufflächen auf, durch welche es gegen ein Durchrutschen in der Gummife- der gesichert ist.
Wie man den beiden Figuren 2 und 3 deutlich entnehmen kann, sind die Hauptfeder und die Zusatzfeder zueinander in Serie geschaltet, wobei die Verbindung über ein Verbindungselement, welches unter Umständen wie oben erläutert auch Bestandteil der hydropneumatischen Feder sein kann, erfolgt. Durch die Anordnung der hydropneumatischen Feder 31,61 im Inneren der Schrau- benfeder 32 bzw. der Gummifeder 62 kann dabei der zur Verfügung stehende Bauraum optimal ausgenutzt und im Vergleich zu bestehenden Federungsvorrichtung sehr viel Federweg erzeugt werden.
Hydropneumatische Feder und Zusatzfeder sind voneinander einfach trennbare Baueinheiten, sodass ein Austauschen einer einzelnen Komponente bei einer Federungsvorrichtung leicht mög- lich ist.
Im folgenden wird noch - wie oben bereits angedeutet - auf das Verschalten der erfindungsge- mässen Federungsvorrichtungen bzw. der hydropneumatischen Federn dieser Vorrichtungen, d.h. deren Hydraulikeinheiten bzw. Arbeitshohlräumen, in einem Federungssystem bestehend aus mehreren solcher Federungsvorrichtungen näher eingegangen. Unter Hydraulikeinheit ist dabei der gesamte Bereich der hydropneumatischen Feder, bestehend aus dem Arbeitshohlraum der Feder, dem Hydraulikbereich im Federgasbehälter und den Verbindungen zwischen diesen Bereichen zu verstehen. Üblicherweise werden dabei die Arbeitshohlräume 35 verschiedener Federungsvorrich- tungen miteinander verschaltet, grundsätzlich ist aber beispielsweise auch das Verschalten der
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Hydraulikbereiche im Federgasbehälter möglich.
In Fig. 4 sind ein Fahrwerkrahmen 3", ein Radsatzlager 4" sowie ein Rad 5" eines Schienen- fahrzeugs dargestellt. Schematisch ist der Einbau einer Federungsvorrichtung 1" zwischen dem Fahrwerkrahmen 3" und dem Radsatzlager 4" angedeutet, wobei auch ein Federgasbehälter 1a' zu erkennen ist. Bei einer zweckmässigen Ausführungsform ist dabei die Federungsvorrichtung 1", obwohl sie nur Druckkräfte übertragen muss, in der Regel sowohl mit dem Fahrwerkrahmen 3" als auch mit dem Gehäuse des Radsatzlagers 4" verschraubt.
Die Figuren 5 bis 7 zeigen grob schematisch Federsysteme, bei welchen die Hydraulikeinhei- ten 2a - 2d von Federungsvorrichtungen im Bereich von Rädern 5" eines Schienenfahrzeugs angebracht sind, wobei die Arbeitshohlräume der Hydraulikeinheiten miteinander logisch verschal- tet sind. Nicht abgebildet ist dabei jene Ausführungsform, bei der jeder Arbeitshohlraum einen eigenen Federgasbehälter aufweist, die Hydraulikeinheiten also nicht miteinander gekoppelt sind.
Bei dieser Ausführungsform ist zwar ein Federn jedes Rades separat möglich, allerdings können Nick- oder Wankbewegungen nicht unabhängig von Tauchbewegungen ohne zusätzliche Stabili- sierungseinrichtung gefedert werden.
Im Detail zeigt Fig. 5 ein Federsystem, bei welchem eine Wankbewegung des Fahrzeugs da- durch weitestgehend unterdrückt wird, dass die Arbeitshohlräume von zwei Hydraulikeinheiten 2a und 2b, welche im Bereich von Rädern 5" an gegenüberliegenden Seiten einer Achse angebracht sind, über Leitungen 16a und 16b sowie eine Synchronisiereinheit 19a an einen gemeinsamen Federgasbehälter 8a gekoppelt sind. Der Synchronisiereinheit 19a, deren Funktionsweise weiter unten noch ausführlich besprochen wird, fällt dabei die Aufgabe zu, die - in diesem Fall zwei - Arbeitshohlräume so zu koppeln, dass ein Einfedern der einen Federungsvorrichtung unmittelbar zu einem Einfedern der damit gekoppelten Federungsvorrichtung bzw. genau genommen zu einem Einfedern der miteinander verbundenen Hydraulikeinheiten 2a und 2b führt, wodurch eine Wank- bewegung vermieden wird.
Um Wankbewegungen effizient abzufedern, ist natürlich dieses paar- weise Verschalten von gegenüberliegenden Hydraulikeinheiten an jeder Achse notwendig.
In Fig. 6 ist ebenfalls ein Federsystem zur Wankstabilisierung eines Schienenfahrzeugs darge- stellt. Bei dieser Ausführungsform sind jeweils die Arbeitshohlräume von Hydraulikeinheiten 2a und 2d sowie 2b und 2c einer Fahrzeugseite über eine gemeinsame Leitung 17a bzw. 17b miteinander verbunden. Die Hydraulikeinheiten einer Seite stehen allerdings nicht über eine Synchronisierein- heit miteinander in Kontakt. Hingegen stehen die jeweils miteinander gekoppelten Hydraulikeinhei- ten einer Fahrzeugseite mit den gekoppelten Hydraulikeinheiten der anderen Fahrzeugseite über eine Synchronisiereinheit 19a mit einem gemeinsamen Federgasbehälter 8a in Kontakt. Durch dieses einfache Verschalten der Arbeitshohlräume von vier Hydraulikeinheiten 2a - 2d wird eine Wankstabilisierung des Fahrzeugs erreicht.
Allerdings ist diese Wankstabilisierung mit nur einer Synchronisiereinheit 19a nur für Fahrzeuge, bei denen geringe Antriebs- und Bremskräfte wirksam sind, geeignet, da eine Nickbewegung bei dieser Ausführungsform ungefedert zugelassen ist.
Sinngemäss kann ein Verschalten der Hydraulikeinheiten bzw. Arbeitshohlräume wie in Fig. 5 und Fig. 6 dargestellt, auch für Schienenfahrzeuge mit mehr als zwei Achsen angewendet werden.
Ein Problem für Schienenfahrzeuge ist, dass entlang der Fahrstrecke Gleisverwindungen auf- treten. Bei einer zu steifen Federung führt das zu Radentlastungen an zumeist einem der Räder des Fahrwerks, wobei es bei einer zu starken Radentlastung unter Umständen auch zu Entglei- sungen kommen kann. Diesem Problem kann mit der in Fig. 7 dargestellten Verschaltung der Arbeitshohlräume von Hydraulikeinheiten begegnet werden. Bei dieser Ausführungsform werden jeweils einander diagonal gegenüberliegende Hydraulikeinheiten 2a und 2c sowie 2b und 2d über Leitungen 18a, 18c sowie 18b, 18d und über eine Synchronisiereinheit 19a, 19b mit einem ge- meinsamen Federgasbehälter 8a gekoppelt.
Mit dieser Verschaltung der Arbeitshohlräume wird einerseits das Abfedern von Wank- und Nickbewegungen möglich, andererseits wird das Fahrzeug bzw. das Fahrwerk aber auch verwindbar, wodurch eine zu starke Radentlastung unabhängig von der gewählten Federsteifigkeit und somit unabhängig von der Federung von Tauchbewegungen verhindert werden kann.
Anhand von Fig. 8 ist schliesslich das Funktionsprinzip für eine Synchronisiereinheit 19, wie sie bereits in den Fig. 5 bis Fig. 7 erwähnt wurde, erläutert. In Fig. 8 ist eine Synchronisiereinheit 19 für zwei Arbeitsvolumina bzw. Hydraulikeinheiten von hydropneumatischen Federn einer erfindungs- gemässen Federungsvorrichtung dargestellt, die folgenden Überlegungen gelten aber naturgemäss
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bei entsprechender Ausbildung der Synchronisiereinheit auch für mehr als zwei Arbeitsvolumina.
Wie man aus Fig. 8 erkennen kann, wird ein Hohlraum 20 durch einen frei verschiebbaren Kol- ben 21 in drei voneinander unabhängige Teilhohlräume 22 - 24 getrennt. Die Teilbereiche 22 und 23 stehen über Leitungen 25 und 26 mit den Arbeitshohlräumen von zwei Hydraulikeinheiten, Teilbereich 24 über eine Leitung 27 mit dem Hydraulikraum eines Federgasbehälters in Verbin- dung. Sowohl die Hydraulikeinheiten als auch der Federgasbehälter sind hier nicht dargestellt. Ein durch eine Kraftwirkung bedingtes Zusammendrücken der hydropneumatischen Feder führt dazu, dass das dadurch verdrängte Volumen in einen Teilhohlraum, beispielsweise Teilhohlraum 22 der Synchronisiereinheit 19 einströmt.
Das hat zur Folge, dass der Kolben 21 entsprechend dem verdrängten Volumen im Bereich 22 verschoben wird und zu einer Verringerung des Volumens in Bereich 24, dessen Hydraulikflüssigkeit über die Leitung 27 in den angeschlossenen Hydraulik- raum des Federgasbehälters strömt, sowie zu einer Vergrösserung des Volumens im Bereich 23 führt. Durch das grössere zur Verfügung stehende Volumen im Bereich 23 kommt es zu einem Nachströmen von Hydraulikflüssigkeit aus dem Arbeitshohlraum jener Hydraulikeinheit, welche über die Leitung 26 an die Synchronisiereinheit 19 angeschlossen ist, und somit zu einem entspre- chenden Einfedern dieser Federungsvorrichtung bzw. der Hydraulikeinheit, obwohl die äussere Kraftwirkung auf diese Hydraulikeinheit geringer ist als auf die über die Leitung 25 mit der Syn- chronisiereinheit 19 verbundene Hydraulikeinheit.
Mit dieser konstruktiv einfachen Synchronisiereinheit 19 können die Arbeitshohlräume von zwei oder mehr Hydraulikeinheiten so miteinander gekoppelt werden, dass ein gleichmässiges Einfedern aller Federelemente trotz unterschiedlicher Belastung möglich ist. Durch geeignetes Verschalten der Arbeitshohlräume ist somit eine Nick- und/oder Wankstabilisierung unabhängig von der Verti- kalsteifigkeit der Federelemente möglich, ausserdem sind keine zusätzlichen mechanischen Stabili- sierungseinrichtungen notwendig.
Die Wirkungsweise der hier beschriebenen Synchronisiereinheit kann natürlich, wie schon er- wähnt, auch auf mehrere Arbeitshohlräume von mehreren Federelementen bzw. Hydraulikeinhei- ten ausgedehnt werden.
Die verschiedenen Verschaltungsmöglichkeiten von Hydraulikeinheiten, die im Bereich von Rädern montiert sind, wurden hier vor allem anhand von zweiachsigen Fahrzeugen bzw. Drehge- stellen erläutert, da diese Anordnung bei Schienenfahrzeugen am häufigsten anzutreffen ist. Die getätigten Überlegungen können aber ohne weiteres auf Schienenfahrzeuge mit drei und mehr Achsen übertragen werden und gelten dort sinngemäss.
Nicht unerwähnt soll bleiben, dass es vorgesehen sein kann, die Flüssigkeitsströme in den Fe- derelementen und Leitungen mittels Drosseleinrichtungen zu bedämpfen. Damit wird der Einbau von zusätzlichen, von den Federn unabhängigen Dämpfern hinfällig, was Vorteile in Hinblick auf den geringen zur Verfügung stehenden Bauraum bringt, kostengünstiger ist und zu einer Gewichts- reduktion des Schienenfahrzeugs beiträgt.
Weiters ist auch eine Niveauregelung mittels Pumpe und Höhenregler vorgesehen, über die unabhängig von der Beladung eine unveränderliche Höhenlage des Fahrzeugkastens erzielt wer- den kann.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Federungsvorrichtung (30,60, 100) für ein Schienenfahrzeug, welche im Bereich eines
Rades (5) zwischen einem Radlager und einem Drehgestellrahmen als Primärfederung und/oder zwischen dem Drehgestellrahmen und dem Fahrzeugkasten bzw. einem dem
Fahrzeugkasten zugeordneten Bauteil als Sekundärfederung vorgesehen ist, bestehend aus zumindest einer Hauptfeder (1,31, 61) und zumindest einer zu dieser Hauptfeder (1,
31,61) in Serie geschalteten Zusatzfedervorrichtung (2,32, 62), dadurch gekennzeich- net, dass die Hauptfeder (1,31, 61) eine hydropneumatische Feder ist.