Die vorliegende Erfindung betrifft ein Abstützfederanordnung für Schienenfahrzeuge, mit einer zur Aufnahme vertikaler Kräfte bestimmten Gasfeder.
Es ist bekannt, als vertikale Federung von Schienenfahrzeugen Gasfedern, insbesondere Luftfedern einzusetzen. Um die Querwege der Federanordnung zu erhöhen und um die Quersteifigkeit zu reduzieren, werden die Luftfedern meist in Serie mit einer Gummischichtfeder montiert. Falls eine solche Konstruktion aber bei Querneigungssystemen angewendet wird, so ist nicht zu vermeiden, dass die Luftfeder sehr stark in Querrichtung und kardanisch ausgelenkt wird. Dies führt einerseits zu einer ausserordentlich hohen Beanspruchung der Luftfeder und andererseits zu einer erhöhten Quersteifigkeit der Anordnung.
Falls die Verschiebungen nur über die Luftfeder übertragen werden sollten, muss die Luftfeder derart gross dimensioniert werden, dass deren Einbau im Drehgestell aus Platzgründen oft kaum mehr in Frage kommt. Dies gilt insbesondere dort, wo nicht nur eine zentrale Luftfeder, sondern mehrere solche Federanordnungen (z.B. zwei oder vier) in ein Drehgestell eingebaut werden sollen.
Um diesem Nachteil zu begegnen, wurden Federanordnungen vorgeschlagen, bei denen Luftfedern mit Stahlfedern statt mit Schichtfedern kombiniert wurden, ohne jedoch die geforderten Kriterien bezüglich Beanspruchung, Quersteifigkeit und Einbauvolumen optimal zu erfüllen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war somit die Entwicklung einer Federanordnung, welche allen Anforderungen genügt.
Diese Aufgabe wurde nun bei einer Federanordnung der eingangs definierten Art erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass am oberen Ende bzw. am Kopf der Gasfeder eine Kalottenfeder, vorzugsweise in Form einer sphärischen Gummifeder vorgesehen wurde.
Durch diese konstruktiv einfache Kombination einer Luftfeder mit einer Kalottenfeder lassen sich beliebige kardanische Winkel erreichen, dies bei gleichbleibender horizontaler Lage der Luftfederung. Mit dieser Konstruktion wird eine niedrige Beanspruchung, eine geringe Quersteifigkeit bei wesentlich verbesserter Querwegausnutzung erreicht, dies alles bei einer vertretbaren Vergrösserung der Einbauhöhe.
Solche Federanordnungen lassen sich somit problemlos auch in grösserer Zahl zwischen ein Drehgestell und den Unterteil des Wagenkastens einbauen.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird unterhalb der Gasfeder zusätzlich eine Gummischichtfeder angeordnet.
Dank der erfindungsgemässen Konstruktion werden folgende Leistungsmerkmale erzielt:
- eine hohe kardanische Beanspruchbarkeit der Federanordnung
- niedrigste System-Quersteifigkeit unter kardanischer Beanspruchung;
- grosse Querwege;
- ein optimales Einbauvolumen.
Neben der Anwendung, wo die Luftfeder praktisch ständig horizontal bleibt, sind Ausführungsformen möglich, bei denen die Kalottengeometrie und die Kalottensteifigkeiten so ausgelegt sind, dass die Luftfeder einen definierten, d.h. begrenzten kardanischen Winkel positiv oder negativ ausführt. Damit kann die Quersteifigkeit der Anordnung in weiten Grenzen beeinflusst werden, insbesondere hin zu niedrigen, komfortgünstigen Werten.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen noch etwas näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 rein schematisch eine bekannte Federanordnung, bestehend aus unterer Schichtfeder und darüber angeordneter Gasfeder in Normalstellung (ausgezogen) und deformiert (gestrichelt);
Fig. 2 ebenfalls rein schematisch eine erfindungsgemäss aufgebaute Federanordnung mit unterer Schichtfeder, darüber angeordneter Gasfeder und an deren oberem Ende vorgesehener Kalottenfeder, in denselben Belastungszuständen wie die Federanordnung nach Fig. 1, und
Fig. 3a bis 3d ebenfalls rein schematisch einige Anordnungsmöglichkeiten der Federanordnung an Drehgestellen.
Die in der Zeichnung dargestellten Federanordnungen zeigen rein schematisch je einen Abstützpunkt für Schienenfahrzeuge, wobei die Federanordnung zwischen Drehgestell und Wagenkasten oder zwischen Drehgestell und einer Traverse angeordnet werden.
Je nach Konstruktionsprinzip können zwischen Drehgestell und Wagenkasten oder Traverse eine zentrale Federanordnung oder eine Mehrzahl Federanordnungen vorgesehen werden. Die Baugrössen sind in solchen Fällen selbstverständlich von den zu erwartenden Belastungen abhängig. Fig. 3a-d der Zeichnung zeigen einige Anordnungsmöglichkeiten der Federanordnungen in Drehgestellen.
Fig. 1 der Zeichnung zeigt schematisch ein konventionelles Federsystem für Schienenfahrzeuge, mit einer untenliegenden Schichtfeder 1 (Gummischichtfeder, d.h. abwechselnd übereinander angeordneten Gummi- und Metallplatten). Solche Schichtfedern sind bekannt und brauchen hier nicht näher erläutert zu werden. Direkt über der Schichtfeder 1 ist eine Gasfeder angeordnet. Auch Gasfedern sind im Fahrzeugbau allgemein bekannt und bedürfen keiner weiteren Erläuterung.
Derartige Federkombinationen sind z.B. bekannt aus DE-OS 2 305 878 und DE-OS 2 604 769.
Zur Aufnahme von rein vertikalen Kräften würde ein einziger Federtyp, z.B. eine Gasfeder ausreichen. Da bei Schienenfahrzeugen jedoch unvermeidbar Querkräfte auftreten, wurden zur Erhöhung der Querwege der Federanordnung und zur Reduktion der Quersteifigkeit, wie in den genannten Druckschriften beschrieben, die Gasfedern in Serie mit Gummischichtfedern angeordnet. Bei Querneigungssystemen wird die Luftfeder bei derartigen Konstruktionen, wie in Fig. 1 gezeigt, allerdings stark quer (Y) und kardanisch (@) ausgelenkt. Dies führt einerseits zwangsläufig zu einer hohen Beanspruchung der Gasfeder und andererseits zu einer höheren Quersteifigkeit der Federanordnung. Um die gezeigten Verschiebungen allein über die Gasfeder zu übertragen, muss die Gasfeder so gross dimensioniert werden, dass deren Unterbringung in einem Drehgestell auf grosse Schwierigkeiten stösst.
Dank der erfindungsgemässen Konstruktion, wie in Fig. 2 dargestellt, können diese Nachteile bezüglich übermässiger Beanspruchung, hoher Quersteifigkeit und Einbauvolumen vermieden werden.
Die Federanordnung gemäss der Erfindung ist im unteren Teil im wesentlichen gleich aufgebaut wie beim Stand der Technik, d.h. es weist neben der Luftfeder 2 vorzugsweise ebenfalls eine Gummischichtfeder 1 auf. Der wesentliche Unterschied besteht nun darin, dass zusätzlich am Kopf der Gasfeder 2 eine sphärische Gummifeder 3 (Kalottenfeder) angeordnet ist.
Diese Anordnung kann nun durch vertikale Kräfte F allein oder durch Querneigungskräfte F min und Momente M belastet werden und wird sich wie in der Zeichnung gezeigt, verhalten.
Je nach Kalottengeometrie und Kalottensteifigkeit wird das Gasfederoberteil auch im Betrieb unter kardanischer Auslenkung und Querauslenkung im wesentlichen die horizontale Lage beibehalten. Die Querauslenkung wird von der Gummischichtfeder 1 und der Gasfeder 2 aufgenommen.
Abhängig von der Auswahl der elastischen Eigenschaften des elastomeren Körpers 5 sowie der Kalottengeometrie, kann sich die Anordnung gegebenenfalls derart deformieren, dass im Betrieb bei beliebiger Querauslenkung das Gasfederoberteil einen vorbestimmten Winkel zur Horizontalen einnimmt.
Das Wichtigste dabei ist, dass sich beliebige kardanische Winkel erreichen lassen.
Bei vertretbarer Vergrösserung der Einbauhöhe wird mit dieser Anordnung eine niedrigere Beanspruchung und Steifigkeit sowie eine bessere Querwegausnutzung erzielt.
The present invention relates to a support spring arrangement for rail vehicles, with a gas spring intended to absorb vertical forces.
It is known to use gas springs, in particular air springs, as the vertical suspension of rail vehicles. In order to increase the cross paths of the spring arrangement and to reduce the transverse rigidity, the air springs are usually installed in series with a rubber layer spring. However, if such a construction is used in bank systems, it cannot be avoided that the air spring is deflected very much in the transverse direction and cardanically. This leads on the one hand to an extraordinarily high load on the air spring and on the other hand to an increased transverse rigidity of the arrangement.
If the displacements should only be transmitted via the air spring, the air spring must be dimensioned so large that its installation in the bogie is often out of the question for reasons of space. This applies in particular where not only a central air spring, but several such spring arrangements (e.g. two or four) are to be installed in a bogie.
In order to counter this disadvantage, spring arrangements have been proposed in which air springs are combined with steel springs instead of layer springs, but without optimally fulfilling the required criteria with regard to stress, lateral rigidity and installation volume.
The object of the present invention was therefore to develop a spring arrangement which meets all requirements.
This object has now been achieved according to the invention in a spring arrangement of the type defined in the introduction by providing a spherical spring, preferably in the form of a spherical rubber spring, at the upper end or at the head of the gas spring.
Thanks to this structurally simple combination of an air spring with a spherical spring, any gimbal angle can be achieved, with the horizontal position of the air suspension remaining the same. With this construction, a low load, a low transverse rigidity with a significantly improved utilization of the transverse path are achieved, all of this with a reasonable increase in the installation height.
Such spring arrangements can thus be easily installed in large numbers between a bogie and the lower part of the car body.
In a particularly preferred embodiment, a rubber layer spring is additionally arranged below the gas spring.
Thanks to the construction according to the invention, the following performance features are achieved:
- A high gimbal strength of the spring arrangement
- lowest system lateral stiffness under gimbal load;
- large cross paths;
- an optimal installation volume.
In addition to the application where the air spring remains practically constantly horizontal, embodiments are possible in which the spherical geometry and the spherical stiffness are designed so that the pneumatic spring has a defined, i.e. limited gimbal angle positive or negative. The lateral stiffness of the arrangement can thus be influenced within wide limits, in particular towards low, convenient values.
The invention is explained in more detail below with reference to exemplary embodiments shown in the drawing. It shows:
Fig. 1 purely schematically, a known spring arrangement, consisting of lower layer spring and gas spring arranged above in the normal position (extended) and deformed (dashed);
Fig. 2 also purely schematically a spring arrangement constructed according to the invention with a lower layer spring, a gas spring arranged above it and a calotte spring provided at its upper end, in the same loading conditions as the spring arrangement according to FIG. 1, and
3a to 3d also purely schematically some possible arrangements of the spring arrangement on bogies.
The spring arrangements shown in the drawing each show, purely schematically, a support point for rail vehicles, the spring arrangement being arranged between the bogie and the body or between the bogie and a traverse.
Depending on the design principle, a central spring arrangement or a plurality of spring arrangements can be provided between the bogie and the car body or traverse. In such cases, the sizes are of course dependent on the loads to be expected. 3a-d of the drawing show some possible arrangements of the spring arrangements in bogies.
Fig. 1 of the drawing schematically shows a conventional spring system for rail vehicles, with a layer spring 1 below (layered rubber spring, i.e. rubber and metal plates arranged alternately one above the other). Such layer springs are known and do not need to be explained in more detail here. A gas spring is arranged directly above the layer spring 1. Gas springs are also generally known in vehicle construction and require no further explanation.
Such spring combinations are e.g. known from DE-OS 2 305 878 and DE-OS 2 604 769.
To absorb purely vertical forces, a single type of spring, e.g. a gas spring is sufficient. However, since lateral forces inevitably occur in rail vehicles, the gas springs were arranged in series with layered rubber springs to increase the transverse travel of the spring arrangement and to reduce the transverse rigidity, as described in the cited documents. In bank systems, the air spring in such constructions, as shown in FIG. 1, is deflected strongly transversely (Y) and cardanically (@). On the one hand, this inevitably leads to a high load on the gas spring and, on the other hand, to a higher transverse rigidity of the spring arrangement. In order to transmit the displacements shown solely via the gas spring, the gas spring must be dimensioned so large that it is very difficult to accommodate it in a bogie.
Thanks to the construction according to the invention, as shown in FIG. 2, these disadvantages with regard to excessive stress, high transverse rigidity and installation volume can be avoided.
The spring arrangement according to the invention is constructed in the lower part essentially the same as in the prior art, i.e. in addition to the air spring 2, it preferably also has a rubber layer spring 1. The main difference now is that a spherical rubber spring 3 (spherical spring) is additionally arranged on the head of the gas spring 2.
This arrangement can now be loaded by vertical forces F alone or by transverse forces F min and moments M and will behave as shown in the drawing.
Depending on the dome geometry and dome stiffness, the upper part of the gas spring is essentially maintained in the horizontal position even under gimbal and transverse deflection. The transverse deflection is absorbed by the rubber layer spring 1 and the gas spring 2.
Depending on the selection of the elastic properties of the elastomeric body 5 as well as the calotte geometry, the arrangement may deform such that the gas spring upper part assumes a predetermined angle to the horizontal during operation with any transverse deflection.
The most important thing is that any gimbal angle can be reached.
With an acceptable increase in the installation height, this arrangement results in lower stress and rigidity as well as better utilization of the transverse path.