DE1530114B2 - Federung für Fahrzeuge, insbesondere Schienenfahrzeuge - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Federung für Fahrzeuge, insbesondere Schienenfahrzeuge mit zwischen Wagenkasten bzw. Brückenträger und Drehgestell lotrecht angeordneten Schraubenfedern oder Gummifedern oder Luftfedern, die außer der lotrechten Federung auch beim Verschieben der beiden Federenden gegeneinander eine Federung in Horizontalrichtung gewährleistet.

Schienenfahrzeuge, insbesondere schnellaufende Güterwagen und Drehgestellfahrzeuge enthalten häufig eine Querfederung für den Wagenkasten, um die seitlichen Anlaufstöße zu mildern und die Querbewegungen des Wagenkastens elastisch aufzufangen. Für die Querfederung werden größtenteils von der eigentlichen Feder unabhängige Aufhängungen verwendet. Dabei haben die Pendel- oder Schakenaufhängung die weiteste Verbreitung gefunden. Andererseits werden in zunehmendem Maße gemeinsame Teile für die Senkrecht- und Querfederung angewendet. Hierbei wird vielfach die Flexicoil-Wirkung (Querelastizität beim parallelen Verschieben der Federendflächen) von senkrecht angeordneten Schrauben- und Gummifedern für die Querfederung ausgenutzt.

Zum Erzielen eines günstigen Querschwingungsverhaltens, insbesondere zum Erzielen eines überkritischen Laufwerks in bezug auf die Querschwingungserregungen durch den Sinuslauf bei höheren Fahrgeschwindigkeiten, ist die Querschwingungsfrequenz des Wagenkastens möglichst tief zu legen.

Bei druckbelasteten Schrauben- und Gummifedern können wegen der Ausknickgefahr für die Federn und wegen des zur Verfügung stehenden Bauraums usw. vielfach nicht die erforderlichen niedrigen Querfederkonstanten erreicht werden. Dann wird häufig eine Kombination von Flexicoil-Wirkung und Pendelaufhängung angewandt, um die notwendigen niedrigen Eigenfrequenzen zu erreichen. Da die Pendelaufhängung, insbesondere die Wiegenkonstruktion von Drehgestellfahrzeugen, einen verhältnismäßig großen Bauaufwand erfordert, wird nach gemeinsamen Bauteilen für Senkrecht- und Quer-(Längs-)federung gestrebt. ^ Eine derartige Federung läßt sich beispielsweise der Wj, CH-PS 1 95 209 als bekannt entnehmen. Bei diesem Federungssystem ist eine Vertikalfederung des Wagenkastens mittels Schraubenfedern in Verbindung mit einer Querkraftübertragung im Prinzip offenbart. Allerdings arbeitet diese ältere Ausführung mit einem Wiegebalken, wodurch sich die Federungseinrichtung verteuert. Nachteilig ist noch hierbei, daß stärkeren Kräften durch die reine Wiegenfederung kein genügender Widerstand geboten wird, so daß zusätzliche Anschläge oder Puffer notwendig sind, damit die Sicherheit gegen Überschreiten der Ausschlagbewegung gewährleistet ist.

Weiter sind Fahrzeugfederungen bekannt, bei denen

. »zwischen Fahrzeugrahmen und an diesen angelenkten Achslenkern Schraubenfedern lotrecht angeordnet sind, die sieh mit ihrem oberen Ende über Federteller und Schneiden an am Fahrzeugrahmen befestigte Sattelscheiben abstützen (DT-Gbm 17 59 843 und DT-Gbm 17 59 844). Der wesentliche Nachteil dieser vorbekannten Ausführungen liegt darin, daß die die oberen Federenden begrenzenden Federteller nur in Fahrzeuglängsrichtung, und demzufolge nur zur Abstützung der Vertikalkräfte, kippbar gelagert sind. Wenn auch bei einer Feder zur Aufnahme der Vertikalkräfte am Achslenker noch Metallgummischeibenpakete befestigt sind, so daß das untere Federende auch seitlich geringfügig verschiebbar ist, so genügt diese geringe Auslenkung der Feder bei schnellfahrenden Fahrzeugen jedoch nicht allen Anforderungen, die beim Ausdrehen des Drehgestells während der Fahrt im Gleisbogen auftreten.

Außerdem sind noch ähnlich gelagerte Schraubenfedern in der DT-AS 10 70 042, der DT-PS 8 06 971 und 8 93 760 sowie der CH-PS 1 75 221 beschrieben. Bei der Fahrzeugaufhängung nach der DT-AS 10 70 042 ist die Schraubenfeder zwischen einem das Laufrad tragenden Schwingarm und einem Lenkerteil bzw. einem Torsionsstab angeordnet, wobei am Lenkerteil eine den Torsionsstab umspannende Hülse mit einem Finger befestigt ist, gegen den sich der obere Federteller abstützt. Diese Federung, bei der der obere Federteller zwar kippbar gelagert ist, dient ebenfalls nur zum Abstützen der Vertikalkräfte.

Beim Erfindungsgegenstand sollen aber nicht nur das Gewicht, sondern auch die Querbewegungen des Wa-

genkastens elastisch aufgenommen werden.

Die Schraubenfedern nach der DT-PS 8 06 971 und 8 93 760 stützen sich entweder beiderseits in Pfannen unter Zwischenschaltung von balligen Gummilagen an ortsfeste Widerlager ab, oder es ist zur Regelung der Federstellung bzw. -spannung ein Schraubenfederende auf der Tellerfederfläche in Umfangsrichtung verstell- und fixierbar. Von zusätzlichen Querfederungen, wie beim Erfindungsgegenstand, ist in diesen älteren Patentschriften nichts erwähnt. Die vertikalen Schraubenfedern bei der Tragvorrichtung nach der CH-PS 1 75 221 übernehmen die Übertragung von auftretenden waagerechten Kräften von der Achsbuchse auf das Traggestell. Bei größeren seitlichen Verschiebungen zwischen der Achsbuchse und dem Längsträger des Drehgestells werden die Kräfte direkt auf den oberen Federteller übertragen, und die Schraubenfeder wird seitlich ausgelenkt. Diese Tragvorrichtung enthält aber keine kippbaren Federteller, und die Kräfte werden bei ausgelenkter Feder durch einen Zapfen auf den oberen Federteller übertragen.

Federungen für Straßen- oder Schienenfahrzeuge, ί bei denen Gummi- oder Luftfedern einzeln oder in Kombination verwendet werden, sind bekannt (DT-AS 10 70 207,11 17 415,11 34 297 und 11 90 811).

Hierbei sind z. B. Einrichtungen zum Befestigen einer Gasfeder oder Ausführungsbeispiele von Änderungen in der Federhärte beschrieben, die aber das Problem der Querfederung nach der vorliegenden Erfindung nicht betreffen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Federung der eingangs erwähnten Art so zu verbessern, daß sie neben ihrer Aufgabe als Sekundärfederung auch sämtliche Relativbewegungen zwischen Wagenkasten bzw. Brückenträger und Drehgestell beim Ausdrehen des Drehgestells elastisch aufnimmt, d. h., daß bei einer Flexicoil-Federung mit üblichen Abmessungen und ausreichender Knicksicherheit eine beliebig niedrige Querfederkonstante ohne großen Bauaufwand verwirklicht oder bei vorhandener Flexicoil-Federung nachträglich eine wesentlich größere Querfederweichheit erzeugt wird.

Die konstruktive Auslegung solcher Federungen ist A verhältnismäßig schwierig, wenn neben guten vertikalen Federungs- und somit Laufeigenschaften auch noch erhebliche horizontale Federwege des Wagenkastens und schließlich noch größere für die Ausdrehbewegung des Drehgestelles auszuführen sind. Einerseits darf nämlich die zulässige Gesamtspannung der Feder nicht überschritten werden und andererseits ist auch auf ausreichende Knicksteifigkeit zu achten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Kombination folgender, zum Teil für sich bekannter Merkmale gelöst.

a) daß mindestens eine der beiden Federstirnflächen um mehrere horizontale Achsen neigbar am beweglich gelagerten Federteller abgestützt ist,

b) daß der Bewegung des Federtellers mittels besonderer Tellerabstützungen ein mit der Federtellerneigung linear, progressiv oder degressiv wachsendes Rückstellmoment entgegengesetzt wird, das die Federkennlinien entsprechend beeinflußt,

c) daß das Rückstellmoment bei der Bewegung des Federtellers um verschiedene horizontale Achsen verschiedene Kennlinien aufweist.

Eine solche Federung nach dem sogenannten Flexicoil-Prinzip erzeugt, entsprechend ausgelegt, durch elastische Verformung der Feder senkrecht zur Hauptbelastungsrichtung eine Rückstellkraft, deren Größe für die Querfederung des Fahrzeugs ausreicht.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind die Auslenkbewegungen des Federtellers um mehrere Achsen durch Anschläge begrenzt. Eine bevorzugte Ausführungsform besteht darin, daß der Federteller mittels Gelenk in einem ortsfesten Widerlager gelagert ist. Hierbei kann der Federteller entweder walzenförmige oder schneidenähnliche Abwälzflächen aufweisen, ίο die mit entsprechenden Flächen am ortsfesten Widerlager zusammenwirken. Es kann aber auch zweckmäßig sein, wenn der Federteller über elastische Zwischenlagen am ortsfesten Widerlager abgestützt ist.

Die sich an den Kombinationsanspruch anschließenden Ansprüche sind echte Unteransprüche und gelten nur in Verbindung mit dem Hauptanspruch.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen schematisch dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine Schraubenfeder mit parallel verschobe-

nen Federstirnflächen,

F i g. 2 die Schraubenfeder nach F i g. 1, wobei eine Federstirnfläche zusätzlich noch geneigt ist,

F i g. 3 eine Schraubenfeder mit einem gelenkig gelagerten Federteller,

F i g. 4 eine Ausführung nach F i g. 3, bei der die Auslenkbewegungen des Federtellers durch Anschläge begrenzt sind,

F i g. 5 eine Schraubenfeder, die sich an beiden Enden gegen bewegbare Federteller abstützt,

F i g. 6 eine Schraubenfeder mit einem bewegbaren, Abwälzflächen aufweisenden Federteller,

F i g. 7 eine Schraubenfeder mit einem bewegbaren, sich auf biegeelastische Unterlagen abstützenden Federteller und

Fj g. 8 je eine Schraubenfeder mit einem bewegba-. ♦- ren Federteller, der über elastische Zwischenlagen am Widerlager abgestützt ist,

^Fig.JO Federkennlinien bei verschieden gelagerten Federtellern beim Auftreten einer Querkraft.

Die Flexicoil-Wirkung z. B. einer Schraubenfeder 1 beruht auf der parallelen Verschiebung der beiden Federstirnflächen 2 und 3 (F i g. 1), so daß die Mittellinie 10 der Feder 1 S-förmig verformt wird (entsprechend einer halben Cosinus-Linie). Die Parallelführung der Federstirnflächen 2 und 3 wird durch Teile des Fahrzeugrahmens bewirkt. Als Folge einer seitlichen Federauslenkung, hervorgerufen durch die Querkraft 5, greift die senkrechte Last P mit einer bestimmten Exzentrizität an, übt also ein Rückstellmoment von bestimmter Größe aus. Die Querfederkonstante wird ebenso wie die senkrechte Federkonstante durch Windungsdurchmesser, Drahtdurchmesser und Windungszahl bestimmt, außerdem noch durch die Höhe der Feder.

Maßgeblich für die Querfederkonstante einer festgelegten Feder 1 ist die Krümmung der Mittellinie 10 bei der Auslenkung. Diese Erkenntnis wird zur Lösung der Aufgabe ausgenutzt. Durch die Höhe der Feder 1 läßt sich die Krümmung der Mittellinie, also die Querfederkonstante, beeinflussen, ohne die senkrechte Federkonstante zu verändern. Hierfür ist jedoch ein großer Bauraum erforderlich, und die Knickstabilität der Feder nimmt sehr stark ab. Eine Verringerung der Krümmung der Federmittellinie 10 ist auch gegeben, wenn eine der beiden Federstirnflächen 2 oder 3 nicht mehr nur parallel zu der anderen verschoben wird, sondern bei der Verschiebung noch eine Neigung um eine Achse quer

zur Verschiebungsrichtung ausführt (F i g. 2). Die Feder t wird dann nicht mehr in der Form einer halben Cosinus-Linie ausgelenkt, sondern in der Form einer Parabel. Durch die geringere Krümmung der Federmittellinie 10 ist der Auslenkwiderstand stark herabgesetzt, die Querfederkonstante ist also gegenüber der parallelen Verschiebung der Federenden erheblich vermindert. Die praktische Durchführung kann durch einen, mittels Gelenk 5 an einem ortsfesten Widerlager gelagerten Federteller 4 erfolgen (F i g. 3).

Durch Lagerungen des Federtellers, die ein mehr oder weniger starkes Rückstellmoment 11 gegen die Federtellerneigung ausüben (F i g. 4), sind alle Zwischenwerte zwischen Querfederkonstanten bei Parallelverschiebung der Federstirnflächen 2 und 3 und bei gelenkiger Lagerung eines Federtellers 4 zu erreichen. Bei Rückstellmomenten, die größer sind als zur parallelen Verschiebung der Federstirnflächen 2 und 3 erforderlich, wird eine größere Federkonstante erreicht.

Bei Anwendung einer reinen Drehachse kommt die Anordnung nur an einem Federende in Frage. Würde das Gelenk an beiden Federenden angeordnet, so würde das ganze Federsystem ausknicken, und es wäre keine Rückstellkraft vorhanden. Bei den Ausführungen, die ein Rückstellmoment 11 auf die Federteller 4 übertragen, können beide Federenden in der gleichen Weise kippbar ausgerüstet werden (F i g. 5), sofern dadurch noch keine Instabilität in Querrichtung hervorgerufen wird.

Als Ausführungen mit Rückstellmoment kommen in Frage: Schneidenlagerungen mit verschiedenen Abwälzradien 6 und 7 (F i g. 6), biegeelastische Unterlagen mit starrer Lagerung 12 und gelenkiger Lagerung 13 (F i g. 7), elastische, insbesondere Gummi-Zwischenlagen 14 (F ig.· 8) bzw. 15 (F ig. 9). Bei diesen können entweder durch rotationssymmetrische Ausbildung (F i g. 8) in den beiden Achsrichtungen gleiche Rückstellmomente erzielt, oder bei nicht rotationssymmetrischer, z. B. sattelförmiger Ausbildung (F i g. 9) Unterschiede zwischen dem Rückstellmoment in Längs- und Querrichtung hervorgerufen werden, so daß auch die Federkonstanten in beiden Richtungen verschieden sind. Elastische Zwischenlagen ergeben durch ihre Schubverformung eine weitere Verringerung der resultierenden Querfederkonstanten.

Der Bewegung des Federtellers 4 mit einer besonderen Tellerabstützung wird ein mit der Federtellerneigung linear, progressiv oder degressiv wachsendes Rückstellmoment entgegengesetzt, das die Federkennlinien a, b, c, d, (Querkraft 5 über Querfederweg fs) entsprechend beeinflußt (Fig. 10). Durch Begrenzung der Auslenkbewegung des Federtellers 4 auf einen bestimmten Neigungswinkel mittels Anschläge 9 (F i g. 4) kann eine geknickte Federkennlinie erzeugt werden (F i g. 10, Kurve a). Bis zur Grenzneigung des Federtellers 4 verläuft die Federkennlinie flacher, während sie nach Erreichen der Grenzneigung steiler wird. Solche Verhältnisse sind vielfach erwünscht, um zu große Querausschläge der Fahrzeugfederung zu vermeiden.

Bei nichtlinearem Rückstellmoment 11 auf den Federteller 4 entsteht auch eine nichtlineare Federkennlinie bezüglich der Querfederung. Wenn z. B. bei Abwälzradien der eine als Hyperbel 6, der andere als ebene Fläche ausgebildet wird, ist eine progressive Querfederkennlinie c (F i g. 10) vorhanden, bis durch Erschöpfen der Neigungsmöglichkeit am Punkt A ein Übergang in eine lineare Federkonstante vorhanden ist. Durch umgekehrte Schmiegungsverhältnisse sind . degressive Federkennlinien b und c/(F i g. 10) zu erreichen.

Zur Vermeidung des Gleitens von Abwälzflächen oder des Querfederungsanteils von elastischen Zwischenlagen können formschlüssige Verbindungen, wie Anschläge 9 und Verzahnungen 16 (F i g. 4 und 5) ver- _ wendet werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Federung für Fahrzeuge, insbesondere Schienenfahrzeuge mit zwischen Wagenkasten bzw. Brückenträger und Drehgestell lotrecht angeordneten Schraubenfedern oder Gummifedern oder Luftfedern, die außer der lotrechten Federung auch beim Verschieben der beiden Federenden gegeneinander eine Federung in Horizontalrichtung gewährleistet, gekennzeichnet durch die Kombination folgender, zum Teil für sich bekannter Merkmale:

a) daß mindestens eine der beiden Federstirnflächen (2, 3) um mehrere horizontale Achsen neigbar am beweglich gelagerten Federteller (4) abgestützt ist,

b) daß der Bewegung des Federtellers (4) mittels besonderer Tellerabstützungen ein mit der Federtellerneigung linear, progressiv oder degressiv wachsendes Rückstellmoment (11) entgegengesetzt wird, das die Federkennlinien (a, b, c, ^entsprechend beeinflußt,

c) daß das Rückstellmoment (11) bei der Bewegung des Federtellers (4) um verschiedene horizontale Achsen verschiedene Kennlinien aufweist.

2. Federung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslenkbewegungen des Federtellers (4) um mehrere Achsen durch Anschläge (9) begrenzt sind (F i g. 4).

3. Federung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Federteller (4) mittels Gelenk (5) in einem ortsfesten Widerlager gelagert ist.

4. Federung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Federteller (4) walzenförmige oder schneidenähnliche Abwälzflächen (7) aufweist, die mit entsprechenden Flächen (6) am ortsfesten Widerlager zusammenwirken (F i g. 6).

5. Federung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Federteller (4) über elastische Zwischenlagen (14 bzw. 15) am ortsfesten Widerlager abgestützt ist (F i g. 8 und 9).