-
Die Erfindung betrifft eine hydropneumatische Federung für Fahrzeuge,
insbesondere Eisenbahnwaggons, mit einem lasttragenden Kolben in einem Kolbengehäuse,
der sich mit seiner gesamten unteren Fläche auf eine in einem Luftpolsterhydroakkumulator
befindliche, unter Druck stehende Flüssigkeit abstützt, sowie mit einer mit dem
Kolben verbundenen hohlen Kolbenstange, mit einem oder mehreren den Raum unter dem
Kolben mit einem Hohlraum vor dem Hydroakkumulator verbindenden Flüssigkeitskanälen
und das Innere der Kolbenstange mit einer Rohrleitung einer Hochdruckflüssigkeitspumpe
bzw. eines Flüssigkeitssammelbehälters verbindenden Öffnungen, ferner mit einem
Durchgangshahn mit veränderlichem Querschnitt in der das Kolbengehäuse mit dem Hydroakkumulator
verbindenden Leitung.
-
An Fahrzeugfederungen werden zahlreiche Forderungen gestellt. Einerseits
soll die Federung weich sein, so daß das spezifische Einfedern auch bei kleineren
Einbauabmessungen verhältnismäßig groß ist. Hierbei soll die Materialausnutzung
der Federkonstruktion vom Gesichtspunkt der Wirtschaftlichkeit und Platzausnutzung
zweckentsprechend gewählt sein. Sowohl bei niedrigen als auch bei hohen Frequenzen
wird außerdem eine wirksame und gute Dämpfung gefordert.
-
Von der Federung wird andererseits nicht nur bei kleinen, sondern
auch bei großen Belastungen eine gute Wirkung erwartet. Deshalb muß die Charakteristik
der Federung progressiv sein, d. h., daß kleinen Belastungen verhältnismäßig große
Längenänderungen und großen Belastungen verhältnismäßig kleine Längenänderungen
entsprechen sollen. Die Federung soll hysteresisch sein, d. h., daß bei Belastung
der Federung ein Teil der eingeführten Arbeit verlorengehen soll. Die Höhe der Mittellinie
der Schwingung soll bei den verschiedenen Belastungen konstant bleiben, unabhängig
von der Belastung. Außerdem soll die Eigenfrequenz der Federung nahezu konstant
bleiben.
-
Bei den Federungen von Eisenbahnwagen sind weitere Eigenschaften erforderlich.
Zu diesen Eigenschaften gehört eine absolute Betriebssicherheit, was bedeutet, daß
die Eigenschaften der Federung ohne jede Wartung über lange Zeiträume konstant bleiben.
Die Federung muß in der Lage sein, sowohl in vertikaler als auch in der Längs- und
der Querrichtung große dynamische Belastungen aufzunehmen. Bei Eisenbahnfahrzeugen
ist entsprechend den Gegeben- ; heiten des Eisenbahn-Oberbaues eine große spezifische
Einfederung erforderlich, so daß die Resonanz der Federung bei Geschwindigkeiten
von 30 bis 40 km je Stunde oder bei einer kleineren Geschwindigkeit liegen soll.
Eine Dämpfung ist nur im Resonanzbereich erforderlich, während bei Geschwindigkeiten
oberhalb des Resonanzbereiches eine geringe Dämpfung wünschenswert ist. Bei Kurvenfahrten
muß die Seitenneigung des Wagenkastens gesichert bleiben, und die Federung muß imstande
sein, große Belastungsänderungen, wie sie sich aus dem jeweiligen Betriebszustand
ergeben, zu kompensieren.
-
Die bekannten Federkonstruktionen, insbesondere diejenigen, die zur
Verwendung beiEisenbahnwaggons vorgeschlagen worden sind, weisen diese Eigenschaften
nicht auf. Die bekannten Blattfedern haben eine verhältnismäßig geringe Weichheit,
und infolge der schlechten Materialausnutzung bei diesen Federungen weisen diese
Federanordnungen ein verhältnismäßig großes Gewicht und verhältnismäßig große Abmessungen
auf. Infolge der sich aus der Reibung zwischen den einzelnen Blättern der Blattfedern
ergebenden Dämpfung ergibt sich bei dieser Federungsanordnung bei höheren Frequenzen
eine nachteilige hohe Dämpfung. Bei geringer Belastung hat diese Federungskonstruktion
nur eine sehr geringe Federungswirkung und überträgt die von den Schienen ausgehenden
Stöße nahezu unverändert auf den Aufbau. Bei Anwendung von Schraubenfedern ist eine
Dämpfung nicht zu erzielen, so daß Schwingungen, insbesondere höherer Frequenzen,
unmittelbar auf den Wagenkasten übertragen werden. Bei Anwendung von Gummifedern
ist der maximale Federweg sehr stark beschränkt, so daß diese Federn ausschließlich
in Verbindung mit Schraubenfedern verwendet werden können.
-
Man hat bereits versucht, diese Nachteile durch Luftfedersysteme zu
beseitigen, wobei jedoch die aus Kolben und Zylinder bestehenden Federungssysteme
den Nachteil aufwiesen, daß die zwischen Kolben und Zylinderwand auftretende trockene
Reibung die Verwendbarkeit dieser Federung beeinträchtigte. Bei einem Versuch, diesem
Nachteil abzuhelfen, und zwar durch Gummibalgkonstruktionen, trat der Nachteil auf,
daß infolge der Festigkeit des Balges nur verhältnismäßig geringe Betriebsdrücke
angewendet werden konnten, so daß sich für den Luftfederbalg große Abmessungen ergeben
hätten. Außerdem wäre dem spezifischen Einfederweg durch die Wandfestigkeit des
Gummibalges eine Grenze gesetzt worden, so daß die erforderliche Progressivität
der Federung nicht zu erzielen wäre. Schließlich ist die innere Dämpfung der Luftfederung
so gering, daß es nur möglich wäre, Luftfedern in Zusammenarbeit mit hydraulischen
Schwingungsdämpfern zu verwenden.
-
Es sind außerdem mehrere hydropneumatische Federungen für Fahrzeuge
bekannt. So ist beispielsweise eine lastabhängige hydropneumatische Feder, insbesondere
für Kraftfahrzeuge, bekannt, bei der ein am Ende einer Kolbenstange befindlicher
öldichter Arbeitskolben einen Hydraulikzylinder in einen kolbenstangenseitigen äußeren
Arbeitsraum und einen auf der anderen Kolbenseite liegenden inneren Arbeitsraum
unterteilt, wobei beide Arbeitsräume mit je einem hochgespannten Gaspolster in Verbindung
stehen. Bei dieser bekannten Bauart soll bei Zunahme der Belastung durch eine Pumpe
vom äußeren in den inneren Arbeitsraum Öl gefördert werden, während bei Abnahme
der Belastung durch eine Verbindungsleitung Öl vom inneren in den äußeren Arbeitsraum
geleitet wird, wobei die Summe der Ölmengen in den Arbeitsräumen und den Verbindungsleitungen
konstant sein soll. Die Regelung der vom äußeren in den inneren Arbeitsraum und
umgekehrt strömenden Ölmenge erfolgt mittels eines für Luftfederung bekannten Füllungsreglers,
dem eine Betätigungsstange zugeordnet ist. Infolge der Anordnung der Einzelteile
der Steuerung ist diese bauaufwendig und auch verhältnismäßig empfindlich.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit Hilfe einer in den Abmessungen
verhältnismäßig kleinen und in ein geschlossenes Gehäuse eingebauten Federung von
konstruktiver Unkompliziertheit eine Federung zu erreichen, deren Weichheit und
spezifische Einfederung auch in weiten Belastungsgrenzen
groß ist,
während die Höhe der Schwingungsmittellinie der Federung automatisch nachgestellt
werden kann und bei beliebiger Belastung gleichbleibt, während die Dämpfung der
Federung sowohl bei niedrigen als auch hohen Frequenzen gleich gut wirksam ist und
die Eigenfrequenz der Federung von der Belastungsänderung nahezu unabhängig ist.
Außerdem soll die Steuerung der zusammenwirkenden Teile der Federung verhältnismäßig
unempfindlich und unkompliziert sein.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der lasttragende
Kolben in bekannter Weise als ein Stufenkolben ausgebildet ist, wobei der Raum der
äußeren Stufe mit dem Raum der hohlen Kolbenstange über in der Wand des Kolbengehäuses
ausgebildete Kanäle verbunden ist und die Hochdruckflüssigkeitspumpe bzw. der Flüssigkeitssammelbehälter
über Rohrleitungen durch Steueröffnungen in der Wand der hohlen Kolbenstange bzw.
durch Öffnungen in der Wand des Kolbengehäuses mit dem Raum der hohlen Kolbenstange
in Verbindung gelangen können.
-
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen. Die Ansprüche 2 bis 5 gelten als
echte Unteransprüche nur in Verbindung mit dem Anspruch 1.
-
In den Zeichnungen ist die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel
veranschaulicht. Es zeigt F i g. 1 eine schematische Darstellung der Federung nach
der Erfindung, F i g. 2 einen Schnitt nach der Linie I-I der F i g. 3 und F i g.
3 einen Schnitt nach der Linie II-II der Fig.2.
-
Der in dem einen größeren Durchmesser aufweisenden Zylinderraum des
Kolbengehäuses 1 der erfindungsgemäßen hydropneumatischen Federung befindliche Kolben
2 ist in axialer Richtung, wie sich aus F i g. 1 ergibt, beweglich. Die Betätigungskraft
wird auf den Kolben 2 mit Hilfe einer mit einem gerundeten Kopf versehenen
Tragstange 3 übertragen. Der Kolben 2 ist an seinem Umfang mit aus Metall bestehenden
Kolbenringen 2 a und an seiner unteren Fläche mit einer dichtenden Kunststoffmuffe
4 versehen. Unter dem Kolben 2 ist innerhalb des Kolbengehäuses 1 eine mit
Öl angefüllte äußere Stufe 5 angeordnet. Die Kolbenstange 6 des Kolbens 2 ist hohl
ausgebildet und wird in der in den Teil des kleineren Durchmessers des Gehäuses
1 eingedrückten Metallbüchse 7 geführt. In dem Hohlraum, der sich zwischen der Kolbenstange
6 und dem Gehäuse 1 ergibt, befindet sich ebenfalls Öl. In der die Büchse 7 umschließenden
Mantelfläche des Gehäuses 1 sind, wie sich aus F i g. 2 und 3 ergibt, Ölleitungskanäle
8 eingelassen, durch welche das Öl durch den Hohlraum 9 des Gehäuses 1, durch das
an den Boden des Gehäuses 1 angeschlossene Rohr 10 und durch den in das Rohr 11
eingebauten Durchgangshahn 11 in das Gefäß 12 einströmen sowie in den Hohlraum der
Kolbenstange 6 bzw. in den Raum unter dem Kolben 2 zurückströmen kann.
-
In der Wand der Kolbenstange 6 sind Steueröffnungen 13 und
13a ausgebildet, die beim Niedergehen der Kolbenstange 6 bzw. des Kolbens
2 mit den in der Büchse 7 bzw. in der Wand des Gehäuses 1 ausgebildeten Öffnungen
14 bzw. 14 a in Verbindung gebracht werden können. Der Ouerschnitt
des Durchgangshahnes 11 kann von Hand oder automatisch verändert werden. Im Gefäß
12
ist ein eingeschlossene Luft oder ein anderes Gas enthaltender Gummi- oder
Kunststoffschlauch 15 angeordnet. Das Gefäß 12 und der Schlauch
15 bilden zusammen mit dem in das Gefäß 12 strömenden Öl und dem in den Schlauch
15 eingeschlossenen Luftpolster einen an sich bekannten Hydroakkumulator.
-
Die Ölversorgung der hydropneumatischen Feder gemäß der Erfindung
wird durch die Hochdruckflüssigkeitspumpe 16 besorgt. Die Pumpe
16 saugt das Öl durch das Filter 17 aus dem Sammelbehälter 18 und pumpt es
durch das Rückschlagventil 19 und die Rohrleitung 20 in die Öffnung
14 des Gehäuses 1
und sodann durch die Steueröffnung 13 der
Kolbenstange 6 in den inneren Raum der Kolbenstange 6.
Das Rückschlagventi119
verhindert das Rückströmen des Öles.
-
Der aus dem von der Rohrleitung 20 abgezweigten Gehäuse
21 und dem durch den Schlauch 22 im Gehäuse 21 umschlossenen
Luftpolster bestehende Druckspeicher-Hydroakkumulator gleicht die Druckschwankungen
der in der Rohrleitung 20 befindlichen Flüssigkeit aus und speichert außerdem
für den Fall größerer Belastungsänderungen eine gewisse Menge von Hochdruckflüssigkeit,
wodurch die Anwendung einer Pumpe geringerer Leistung ermöglicht wird.
-
Das aus der Leitung 20 abgezweigte Rohr 23 verbindet
die Rohrleitung 20 mit dem an sich bekannten Entlastungsventil 24. Dieses
Entlastungsventil schaltet innerhalb der eingestellten Druckgrenzen die Pumpe 16
auf Leerlauf. Es erhöht dadurch die Lebensdauer der Pumpe 16 und dient durch Einstellen
der Höhe des in der Rohrleitung 20 hervorzurufenden Maximaldruckes gleichzeitig
als Sicherungsventil des Ölversorgungssystems.
-
Die erfindungsgemäße hydraulische pneumatische Federung arbeitet wie
folgt: Die Belastung gelangt - z. B. vom Eisenbahnwaggon - über die Tragstange 3
in Richtung des Pfeiles 25 auf den Kolben z. Bei Belastung sinkt der Kolben
2 hinab, worauf das Öl aus dem Raum unter dem Kolben 2 durch den Durchgangshahn
11 in das Gefäß 12 fließt und hierbei den Schlauch 15 bzw.
das in diesem befindliche Gas zusammendrückt. Die Volumenverringerung ruft eine
polytrope Zustandsänderung hervor, der Druck des Gases steigert sich um ein geringes
Maß und schiebt durch Zurückdrücken des Öles den Kolben 2 nach oben. Um die Grundlinie
kommt in dieser Weise eine weiche Schwingung zustande.
-
Wenn sich die Gewichtsbelastung des Xolbens erhöht, z. B. wenn Fahrgäste
in den Eisenbahnwaggon einsteigen, sinkt die Kolbenstange 6 zusammen mit dem Kolben
2. Wenn die an der Kolbenstange 6 befindliche Steueröffnung 13 die
Öffnung 14
der Büchse 7 bzw. des Gehäuses 1 erreicht, strömt
durch die Bohrungen 13 und 14 aus dem Druckspeicher-Akkumulator 21
Flüssigkeit in den hohlen Innenraum der Kolbenstange 6; der Druck innerhalb des
Federsystems nimmt zu, und der Kolben 2 steigt wieder in die Lage der ursprünglichen
Schwingungsmittellinie.
-
Bei Verringerung der Belastung, z. B. wenn die Fahrgäste aussteigen,
bewegt sich der Kolben 2 zusammen mit der Kolbenstange 6 nach oben. Wenn
die untere Fläche 26 der Kolbenstange 6 die in der
Büchse
7 und im Gehäuse 1 befindliche Öffnung 14a erreicht, fließt ein Teil des im System
befindlichen Hochdrucköles durch die Öffnung 14 a und das Rohr 27 in den Ölsammelbehälter
18 zurück.
-
Der Kolben 2 und die Kolbenringe 2 a sind unmittelbar nach Anfertigung
der hydropneumatischen Federung noch nicht dazu geeignet, die Dichtung allein zu
vollziehen, da die innere Wandfläche des Zylinders größeren Durchmessers des Gehäuses
1 noch rauh ist und sich mit den Ringen noch nicht zusammengeschliffen hat. In dieser
Betriebszeitspanne dient der Flansch der Kunststoffmuffe 4 als Dichtung. Der Druck
des Öles drückt den Muffenflansch an die Innenwand des Gehäuses 1. Nach verhältnismäßig
kurzer Betriebszeit schleifen die Kolbenringe 2 a die innere Mantelfläche des Gehäuses
1 soweit ab, daß die Kolbenringe auch allein imstande sind, die Aufgabe der Dichtung
zu versehen. Im weiteren bleibt die Dichtung auch dann, wenn sich der Flansch der
Kunststoffmuffe 4 abgenutzt hat, bestehen.
-
An dem oberen Rand des Gehäuses 1 ist eine elastische Deckscheibe
28 befestigt, die auch die Tragstange 3 umschließt. Sie verhindert das Eindringen
von Staub über dem Kolben 2. Das an dem Mantel des Kolbens 2 bzw. an den Kolbenringen
2 a eventuell durchgesickerte Öl leitet die Rohrleitung 29 in den ölsammelbehälter
18 zurück.
-
Die Vorteile der hydropneumatischen Federung gemäß der Erfindung lassen
sich wie folgt zusammenfassen.
-
Die ganze untere Fläche des Kolbens 2 wird durch Hochdruckflüssigkeit
unterstützt, daher ist der Durchmesser des Kolbens 2 und damit der ganzen Federkonstruktion
verhältnismäßig gering.
-
Der im Kolbengehäuse 1 sich bewegende Kolben 2 kann gut abgedichtet
werden. Deshalb ist im Federungssystem ein verhältnismäßig hoher Betriebsdruck von
beispielsweise 20 bis 25 kg je cm2 zulässig. Infolge des hohen Betriebsdruckes können
ein verhältnismäßig kleiner Luftraum und ein geringes Einbauvolumen verwirklicht
werden. Die Federung ist hierbei so weich, wie es in der Praxis gefordert wird.
Die Einstellung des Höhenniveaus des Kolbens 2 ist mittels sehr einfacher Konstruktionsmittel
möglich. Die Niveaueinstellung erfolgt hydraulisch durch Änderung der Menge der
im System befindlichen Flüssigkeit. Die Federung gemäß der Enfindung arbeitet mit
beständiger Luftmenge, wodurch die Eigenfrequenz von der Belastung nahezu unabhängig
ist. Das Federsystem enthält als innere hydraulische Dämpfung den Durchgangshahn
11, so daß die Anwendung einer weiteren Schwingungsdämpfung nicht erforderlich ist.
An der Mantelfläche des Kolbens 2 tritt nur eine verhältnismäßig geringe öldurchsickerung
auf, wobei das durchgesickerte Öl in den Sammelbehälter 18 zurückgeleitet wird.
Hierbei sind die Berührungsflächen zwischen Kolben und Zylinder so gut geschmiert,
daß eine nennenswerte Abnutzung nicht auftritt. i Bei der hydropneumatischen Federung
gemäß der Erfindung kann durch zweckmäßige Auswahl der Luftmenge eine den Verhältnissen
entsprechende nahezu beliebige Progressivität erreicht werden. Die Übertragung der
Belastung mittels einer im eirege- i senkten Kolbenhohlraum aufliegenden Kugel der
Tragstange 3 sichert die betriebssichere Aufnahme der großen Quer- und Längskräfte
ohne Einklemmen des Kolbens 2. Die Konstruktion bildet eine geschlossene Einheit
ohne herausragende Zapfen und Hebelarme und ist daher verhältnismäßig unempfindlich,
so daß sie durch plötzliche Belastungen des Fahrwerkes, wie sie beispielsweise durch
auf den Schienen liegende Steine oder andere Unebenheiten der Schienen auftreten
könnten, nicht beschädigt werden kann.
-
Durch entsprechende Anordnung der Öffnungen 13, 14 und 14 a zueinander
kann erreicht werden, daß die Puffer der Eisenbahnwaggons selbst bei großen Belastungsunterschieden
niveaugleich bleiben.