DE102009044031B4

DE102009044031B4 - Federelement für ein Fahrwerk

Info

Publication number: DE102009044031B4
Application number: DE102009044031.3A
Authority: DE
Inventors: Volker Gedenk; Edgar Schmiernow
Original assignee: ContiTech Luftfedersysteme GmbH
Current assignee: ContiTech Luftfedersysteme GmbH
Priority date: 2009-09-17
Filing date: 2009-09-17
Publication date: 2020-04-16
Anticipated expiration: 2029-09-18
Also published as: DE102009044031A1

Abstract

Luftfedereinrichtung (15) eines Schienenfahrzeugs, die eine als Luftfederbalg (16) ausgebildete Hauptfeder aufweist und ein mit letzterer zusammenwirkendes Federelement (1) eines Fahrwerks, wobei das Federelement (1) im Fahrwerk zwischen einer gefederten Karosserie und einem ungefedertem Fahrwerksteil angeordnet ist und einen zwischen zwei Anschlusstücken (2, 3) angeordneten Federkörper (4) aus elastomerem Werkstoff beinhaltet, wobei der Federkörper (4) lateral und vertikal federnd verformbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass Teile der äußeren Form des Federkörpers (4) und der inneren Form mindestens eines Anschlussstücks (2) so ausgebildet sind, dass das Anschlussstück (2) den Federkörper (4) über eine Teilhöhe lateral mit Abstand umgibt und dass sich bei fortschreitender lateral federnder Verformung der Federkörper (4) mit einem Teil seiner Umfangsfläche an das Anschlussstück (2) anlegt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Federelement eines Fahrwerks, angeordnet zwischen einer gefederter Karosserie und einem ungefedertem Fahrwerksteil, wobei das Federelement einen zwischen zwei Anschlusstücken angeordneten Federkörper aus elastomerem Werkstoff, vorzugsweise aus Gummi beinhaltet, der lateral, also seitlich, und vertikal, d.h. in seiner Hochachse, federnd verformbar ist.
Solche Federelemente sind beispielsweise bekannt als Zusatz- oder Sekundärfeder für eine Luftfederung eines Fahrzeuges, etwa für Schienenfahrzeuge., Die Luftfederung weist dabei im Wesentlichen eine als Luftfederbalg ausgebildete Hauptfeder und die mit letzterer zusammenwirkende Zusatzfeder aus elastomerem Werkstoff auf. Ggf. ist auch noch eine Notfeder vorgesehen, ebenfalls aus elastomerem Werkstoff, welche zwischen Karosserie bzw. Wagenkasten und Fahrwerk bzw. Fahrgestell oder Fahrschemel des Fahrzeuges so angeordnet ist, dass bei einem Ausfall der Hauptfeder die Karosserie am Fahrwerk durch die Notfeder und die Zusatzfeder abgestützt wird und die Abstützung über gegenüberliegende zusammenwirkende karosserieseitige und fahrgestellseitige Auflage- und Gleitflächen erfolgt. Es gibt auch Konstruktionen, bei denen Zusatzfeder und Notfeder als ein Bauteil ausgeführt sind.
Die US 3 826 507 A offenbart eine Luftfeder für ein Schienenfahrzeug, welche mit einer Zusatzfeder versehen ist. Die Zusatzfeder ist dabei als Blockfeder aus Gummi ausgebildet und größtenteils von der Luftfeder umgeben. Die Zusatzfeder ist zudem so angeordnet, dass der Wagenkasten bei einem Luftverlust in der Luftfeder auf der gleichzeitig als Notfeder ausgebildeten Zusatzfeder aufsetzen kann.
Die US 3 904 181 A offenbart eine Luftfeder bzw. eine Balgfeder mit Fluidfiillung, welche ebenfalls mit einer als Blockfeder vorgespannten Zusatzfeder versehen ist. Die Vorspannung ist vorgesehen, um sowohl einen möglichst geringen Raumbedarf im Normalfall als auch eine genaue Auslegung der Federwege und Federkräfte bei den jeweilig vorgesehenen unterschiedlichen Einsatzbedingungen zu erlauben. Ebenso offenbaren die Dokumente US 4 690 388 A und JP 2005-36 825 A Luftfedern mit unterschiedlichen Ausbildungen von Zusatzfedern.
Alle diese Zusatz- oder Sekundärfedern dienen auch dazu, die Luftfeder bei lateralen Auslenkungen zu unterstützen, also beispielsweise bei Kurvendurchfahrten einen Teil der Lateralkräfte im Fahrwerk aufzunehmen. Dabei weisen die bisherigen Lösungen jedoch den Nachteil auf, dass bei kleinen lateralen Auslenkungen eine große lateral Federsteifigkeit (Quersteifigkeit) vorhanden ist, während bei größeren lateralen Auslenkungen oder Wegamplituden die Quersteifigkeit nachlässt, also geringer wird. Verantwortlich dafür sind Wechselbeziehungen zwischen dem reinen Elastomer und den verschiedenen Füllstoffen, in der Literatur als „Payne-Effekt“ bekannt
Für den Betrieb ist aber eine eher umgekehrte Ausbildung der Steifigkeiten gewünscht, nämlich eine solche, die bei geringen lateralen Auslenkungen eine geringe laterale Federsteifigkeit bereitstellt und demgegenüber bei großen lateralen Auslenkungen eine hohe Lateralsteifigkeit (Quersteifigkeit).
Für die Erfindung bestand daher die Aufgabe, eine Zusatzfeder bereitzustellen, die möglichst nah an die gewünschte Steifigkeitsausbildung heranreicht und trotzdem eine einfache Montage und eine kostengünstige Herstellung erlaubt.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Hauptanspruchs. Weitere vorteilhafte Ausbildungen sind in den Unteransprüchen offenbart.
Dabei sind Teile der äußeren Form des Federkörpers und der inneren Form mindestens eines Anschlussstücks so ausgebildet, dass das Anschlussstück den Federkörper über einen Teilhöhe des Federkörpers lateral mit Abstand umgibt und dass sich bei fortschreitender lateral federnder Verformung der Federkörper mit einem Teil seiner Umfangsfläche an das Anschlussstück anlegt.
Durch eine solche Ausbildung kann sich der Federkörper bei kleinen lateralen Auslenkungen, d.h. bei kleinen seitlichen Amplituden frei im Rahmen ihrer durch den Werkstoff vorgegebenen Steifigkeiten bewegen, während sich der Federkörper bei größeren lateralen Auslenkungen an die Innenform des Anschlussstücks anlegt, über eine - jetzt anliegende - Teilhöhe an ihrer weiteren lateralen Auslenkung gehindert ist und nur noch über ihre nicht anliegende „Resthöhe“ lateral beweglich bleibt. Das Anlegen erzeugt damit einen Steifigkeitsprung und somit eine starke Erhöhung der Steifigkeit durch das Zusammenwirken der Bauteile und des Federwerkstoffs.
Eine vorteilhafte Ausbildung besteht darin, dass die Anschlussstücke an den Federkörper anvulkanisiert sind und Befestigungsmittel für den Anschluss an Karosserie oder Fahrwerk aufweisen, z. B. Bohrungen, Gewindestifte, o.ä. Eine solche Ausbildung erleichtert die Herstellung im Sinne eine Vorfertigung von Federelementen, die dann leicht montiert werden können.
Eine weitere vorteilhafte Ausbildung besteht darin, dass der Federkörper tonnenförmig ausgebildet ist, also etwa wie eine Fass oder eine bauchige Tonne, dass das Anschlussstück den Federkörper glockenförmig umgibt, und dass der Glockenboden an den Federkörper vulkanisiert ist. Solch ein glockenförmiges oder topfförmiges Anschlussstück ist durch Tiefziehen sehr leicht herstellbar und auch genau in seiner Innenkontur bestimmbar, so dass eine sichere Abstimmung der Steifigkeitsveränderung bzw. -umkehr möglich ist. Vorteilhafterweise ist das karosserieseitige Anschlussstück derart glockenförmig ausgebildet, so kann sich - auch ohne Abdeckungen - kein Schmutz in der Glocke sammeln.
Eine weitere vorteilhafte Ausbildung besteht darin, dass der Federkörper als Schichtfederelement ausgebildet ist. Schichtfedern sind Federn, die aus abwechselnd angeordneten Schichten von Materialien mit unterschiedlichen Steifigkeiten aufgebaut sind, beispielsweise aus abwechselnden „dicken“ Schichten aus Gummi und „dünnen“ Schichten aus Metall, und daher besonders gut auf gerade laterale Auslenkungen angepasst werden können.
Eine weitere vorteilhafte Ausbildung besteht darin, dass der Federkörper als geschichtetes Gummi-Metallteil ausgebildet ist.
Wie bereits dargestellt, ist es vorteilhaft, eine erfindungsgemäßes Federelement in einer Luftfedereinrichtung zur Federung eines Schienenfahrzeugs einzusetzen, die eine als Luftfederbalg ausgebildete Hauptfeder aufweist bei der eine mit letzterer zusammenwirkendes Federelement als Zusatzfeder vorgesehen ist. Hier kann eine besonders gute Unterstützung der Luftfeder/ Hauptfeder bei Querkräften dadurch erfolgen, dass bei starken lateralen Auslenkungen aufgrund von schnellen und/oder engen Kurvendurchfahrten die sprungartig steigende Steifigkeit bei der Anlage der Zusatzfeder an die Innenform des Anschlussstücks einen großen Teil der Lateralkräfte abfängt und einen zu großen Versatz des Wagenkastens verhindert. Vorteilhafterweise ist dabei die Zusatzfeder zwischen Luftfeder und ungefedertem Fahrgestell oder -schemel montiert ist.
Anhand eines Ausführungsbeispieles soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen

1 eine erfindungsgemäßes Federelement
2 den vorderen Teil eines schienengebundenen Kurzstreckentriebwagens mit Luftfederung
3 eine Luftfederung eines Schienenfahrzeuges gem. 2 mit einer Zusatzfeder aus dem Stand der Technik
4 eine Luftfederung eines Schienenfahrzeuges mit einem erfindungsgemäßem Federelement als Zusatzfeder
5 Federkennlinien/Steifigkeitskennlinien einer Zusatzfeder aus dem Stand der Technik und eines erfindungsgemäßen Federelements im Vergleich

Der obere Teil der 1 zeigt eine erfindungsgemäßes Federelement 1 eines Fahrwerks in noch unverformtem Zustand, angeordnet zwischen einer gefederter Karosserie und einem ungefedertem Fahrwerksteil, hier nicht näher dargestellt, wobei das Federelement einen zwischen zwei Anschlusstücken 2 und 3 angeordneten Federkörper 4 aus aus Gummi besteht. Der Federkörper ist lateral (seitlich) und vertikal (in seiner Hochachse) federnd verformbar. Die äußere Form des Federkörpers und die innere Form des oberen Anschlussstücks 2 sind so ausgebildet, dass das Anschlussstück 2 den Federkörper 4 über einen Teilhöhe lateral mit Abstand umgibt und dass sich bei lateral federnder Verformung der Federkörper mit einem Teil seiner Umfangsfläche an das Anschlussstück 2 anlegt.
Der untere Teil der 1 zeigt dasselbe Federelement 1 in verformtem Zustand unter Höchstlast. In diesem Zustand ist der Federkörper aufgrund der vertikalen Belastung in das Anschlussstück 2 eingedrungen und liegt ebenfalls mit einem Teil seiner Umfangsfläche an der Innenoberfläche des Anschlussstücks 2 an. Auch in diesem Zustand (Höchstlast) ist eine laterale Auslenkung teilweise blockiert und die Steifigkeit sprungartig erhöht, was natürlich aus Sicherheitsaspekten sehr wünschenswert ist. Insofern erlaubt das erfindungsgemäße Federelement nicht nur eine Steifigkeitserhöhung bei starken lateralen Auslenkungen, sondern stellt gleichzeitig auch eine aus Sicherheitsgründen gewünschte Steifigkeitserhöhung ab einer bestimmten vertikalen Belastung bereit.
Das jeweils erforderliche Maß der Steifigkeitserhöhung lässt sich durch eine entsprechende Formgebung der Innenkontur des Anschlussstücks 2 bestimmen und auslegen.
Die Anschlussstücke 2 und 3 sind an den Federkörper anvulkanisiert und weisen hier nicht näher dargestellte Befestigungsmittel für den Anschluss an Karosserie oder Fahrwerk auf.
Wie man leicht erkennt, ist der Federköper 4 tonnenförmig ausgebildet, wobei das karosserieseitige Anschlussstück 2 den Federkörper 4 glockenförmig umgibt. Der Glockenboden 5 ist an den Federkörper 4 vulkanisiert.
2 zeigt den vorderen Teil eines schienengebundenen Kurzstreckentriebwagens 6 mit Luftfederung. Die Luftfederung beinhaltet einen Fahrschemel bzw. Fahrgestell 7, welches über eine Luftfedereinrichtung 8 mit der Karosserie 9 des Triebwagens 6 verbunden ist. Innerhalb der Luftfedereinrichtung 8 ist das erfindungsgemäße Federelement 1 angeordnet. Lediglich die Anordnung, nicht die Ausführung des erfindungsgemäßen als Zusatz- oder Notfeder ausgebildeten Federelements 1 innerhalb der Luftfedereinrichtung 8 entspricht dabei der im Stand der Technik üblichen Anordnung, wie sie die 3 anhand eines Federelementes 10 aus dem Stand der Technik zeigt, welche in einer im Stand der Technik bekannten Luftfedereinrichtung 11 angeordnet ist.
Das dort gezeigte Federelement 10 (Stand der Technik) ist bereits als Schichtfeder aufgebaut. Die Luftfedereinrichtung 11 besteht ansonsten aus einem Luftfederbalg 12, d.h. der eigentlichen Luftfeder, welcher das Federelement 10 (Stand der Technik) umgibt und mit seinem oberen Ende mit der hier nicht näher dargestellten Karosserie eines Fahrzeuges und mit seinem anderen Ende an einem am oberen Teil des Federelements 10 (Stand der Technik) befestigten Kragen 13 luftdicht verbunden ist.
Ein an Federelement 10 (Stand der Technik) angeschlossenes Gummi-Metallteil 14 dient zur Verbindung mit dem hier ebenfalls nicht näher dargestellten Fahrschemel.
4 zeigt nun eine Luftfedereinrichtung 15 mit einem erfindungsgemäßen Federelement 1, welches einen Federkörper 4 und einem Luftfederbalg 16 ausweist, wobei letzterer den Federkörper 4 umgibt und mit seinem oberen Ende mit der Karosserie eines Fahrzeuges - hier ebenfalls nicht näher dargestellt - und mit seinem anderen Ende an einem am oberen Anschlussstück 2 des Federkörpers 4 befestigten Kragen 13 luftdicht verbunden ist. Auch hier dient ein an das Federelement 1 anvulkanisiertes Anschlussstück 3 zur Verbindung mit dem hier ebenfalls nicht näher dargestellten Fahrschemel.
Der Federkörper 4 kann sich bei kleinen lateralen Auslenkungen, d.h. bei kleinen seitlichen Amplituden frei im Rahmen ihrer durch den Werkstoff vorgegebenen Steifigkeiten bis zur Anlage an das glockenförmige Anschlussstück 2 bewegen und unterstützt dabei den Luftfederbalg 16 bei der Aufnahme von Quer- bzw. Lateralkräften. Dabei ist de Steifigkeit im Wesentlichen vom elastomeren Gummiwerkstoff des Federkörpers 4 beeinflusst. Bei größeren lateralen Auslenkungen legt sich der Federkörper 4 an die Innenform des Anschlussstücks 2 an und ist nun durch das Zusammenspiel der geometrischen Ausbildungen des Anschlussstücks 2 und des Federkörpers 4 an einer weiteren lateralen Auslenkung gehindert und nur noch über seine nicht anliegende „Resthöhe“ lateral beweglich.
Das Anlegen erzeugt damit einen Steifigkeitsprung und somit eine starke Erhöhung der Steifigkeit, wie in der 5 an einem Diagramm gezeigt. Die linke Seite der 5 zeigt dabei ein Diagramm mit einer Federkennlinie 17 einer herkömmlichen Zusatzfeder, während die rechte Seite ein Diagramm mit eine Federkennlinie 18 des erfindungsgemäßen Federelementes 1 darstellt. Aufgetragen ist jeweils die - hysteresebelastete - Federkraft „F“ über der lateralen Auslenkung „sx“. Man erkennt deutlich, dass die Federkennlinie 18 eine starke Erhöhung der Steifigkeit bei größerer lateraler Auslenkung zeigt.
Bezugszeichenliste
(Teil der Beschreibung)

1: Federelement
2: Anschlussstück
3: Anschlussstück
4: Federkörper
5: Glockenboden
6: Schienengebundener Triebwagen
7: Fahrgestell oder Fahrschemel
8: Luftfedereinrichtung
9: Karosserie
10: Federelement (Stand der Technik)
11: Luftfedereinrichtung (Stand der Technik)
12: Luftfederbalg
13: Kragen
14: Gummi-Metallteil
15: Luftfedereinrichtung
16: Luftfederbalg
17: Federkennlinie (Stand der Technik)
18: Federkennlinie (Erfindung)

Claims

Luftfedereinrichtung (15) eines Schienenfahrzeugs, die eine als Luftfederbalg (16) ausgebildete Hauptfeder aufweist und ein mit letzterer zusammenwirkendes Federelement (1) eines Fahrwerks, wobei das Federelement (1) im Fahrwerk zwischen einer gefederten Karosserie und einem ungefedertem Fahrwerksteil angeordnet ist und einen zwischen zwei Anschlusstücken (2, 3) angeordneten Federkörper (4) aus elastomerem Werkstoff beinhaltet, wobei der Federkörper (4) lateral und vertikal federnd verformbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass Teile der äußeren Form des Federkörpers (4) und der inneren Form mindestens eines Anschlussstücks (2) so ausgebildet sind, dass das Anschlussstück (2) den Federkörper (4) über eine Teilhöhe lateral mit Abstand umgibt und dass sich bei fortschreitender lateral federnder Verformung der Federkörper (4) mit einem Teil seiner Umfangsfläche an das Anschlussstück (2) anlegt.
Luftfedereinrichtung (15) nach Anspruch 1, bei dem die Anschlussstücke (2, 3) an den Federkörper (4) anvulkanisiert sind und Befestigungsmittel für den Anschluss an Karosserie oder Fahrwerk aufweisen.
Luftfedereinrichtung (15) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Federkörper (4) tonnenförmig ausgebildet ist, das Anschlussstück (2, 3) den Federkörper (4) glockenförmig umgibt und der Glockenboden (5) an den Federkörper (4) vulkanisiert ist.
Luftfedereinrichtung (15) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Federkörper (4) als Schichtfederelement ausgebildet ist.
Luftfedereinrichtung (15) nach Anspruch 4, wobei der Federkörper (4) als geschichtetes Gummi-Metallteil ausgebildet ist.