DE19545601C1 - Federungseinheit insbesondere für Straßen- und Schienenfahrzeuge - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Federungseinheit, insbesondere für Straßen- und Schienenfahrzeuge, mit einem Zylinder, einem darin axial beweglich angeordneten Kolben und einer Einrichtung zur Beaufschlagung des Zylinders mit kon­ stantem Druck.

Die Federung ist ein unentbehrlicher Bauteil zeitgemäßer Fahrzeuge, weil bei den heute üblichen Geschwindigkeiten die von den Straßenunebenheiten hervorgerufenen dynamischen Kräfte um ein bis zwei Größenordnungen stärker sind als die statischen Kräfte. Diese Stoßkräfte werden von der Federung wirksam gemildert, und ihre Wirksamkeit wächst mit der Ge­ schwindigkeit. Allerdings werden Schwingungen hervorgerufen, die Fahrzeughöhe ist nicht konstant, und es treten Nick- und Kippschwingungen auf.

Eine in Straßen- oder Schienenfahrzeugen zur Anwendung kommende Federungseinheit der eingangs genannten Art ist beispielsweise in dem ungarischen Lehrbuch "Vradi-Komndi: Traktorok-autók, Budapest: Mezögazdasgi Könyvkiad, 1980, pp. 170-188, zu finden.

Mit einer weichen Federung ist zwar ein besserer Fahrkomfort zu erreichen, doch werden auch die unerwünschten Neben­ wirkungen stärker. Aus diesem Grunde ist in der Automobil­ technik der Einbau mehrerer Zusatzeinrichtungen nötig, beispielsweise Schwingungsdämpfer und Stabilisatoren. Bei Schienenfahrzeugen ist aus Stabilitätsgründen nur eine harte Federung anwendbar.

Eine Möglichkeit der Beseitigung dieser Nachteile bietet die elektronisch gesteuerte hydraulische oder hydropneumatische Aktivfederung, die aber eher für die Höhenverstellung und für die Schwingungsdämpfung wirksam ist. Für die Stoßkräfte ist die zeitliche Verzögerung nicht kurz genug.

Aus der DE 37 14 363 A1 geht bereits eine mechanische, selbststabilisierende Federungseinheit hervor, die über drei Betriebsphasen verfügt und mit oder die Problematik bereits grundsätzlich gelöst werden könnte, und zwar im Gegensatz zur Aktivfederung ohne Zeitverzögerung. Die gewünschte weiche Charakteristik ist jedoch mit Stahlfedern nur gering zu verwirklichen.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Fede­ rungseinheit zu schaffen, die beim Einsatz in Straßen- oder Schienenfahrzeugen gegen Schwerkräfte und Massenkräfte eine starre Unterstützung gibt, im Falle der von den Straßen­ unebenheiten verursachten dynamischen Kräfte jedoch einen nur kleinen Widerstand leistet und große Federwege ermög­ licht.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß radial zwischen dem Zylinder und dem Kolben eine bezüg­ lich beiden Teilen axial bewegliche, ringförmige Dichtung angeordnet ist, die auf ihrer einen Axialseite von dem im Zylinder herrschenden Druck beaufschlagt und deren entgegen­ gesetzter Axialseite zwei ringförmige, in Axialrichtung ge­ sehen konzentrisch angeordnete Abstützflächen mit unter­ schiedlichem Durchmesser gegenüberliegen, wovon die eine mit größerem Durchmesser sich radial einwärts erstreckend am Zylinder und die andere mit geringerem Durchmesser sich radial auswärts erstreckend am Kolben angeordnet ist, derart, daß die Dichtung bei einfahrendem Kolben von der an diesem vorgesehenen Abstützfläche entgegen den auf die Dichtung einwirkenden Druckkräften axial ins Zylinderinnere mitge­ nommen und bei ausfahrendem Kolben von der am Zylinder vorgesehenen Abstützfläche zurückgehalten wird.

Auf diese Weise liegt eine Federungseinheit vor, die infolge ihrer Wirkungsweise als Drei phasen-Federungseinheit bezeich­ net werden könnte. Die Federungseinheit ist gegen Schwer­ kräfte und horizontal e Massenkräfte verhältnismäßig starr und kann gegenüber vertikalen Stößen mit konstanter Kraft ausweichen. Die Lösung der Aufgabe beruht auf der Erkennt­ nis, daß sich die Stoßkräfte in einer anderen Größenordnung bewegen als die statischen Kräfte und ihre Dauer in der Größenordnung von 1/100 sec. liegt. Wenn die Aufhängung bei höheren Kräften, die zur statischen Unterstützung und zur Aufnahme der Nick- und Kippmomente nötig sind, ohne weitere Zunahme ausweichen kann, wird die Wirkung der Fahrbahnstöße auf das Fahrzeug bei mäßigen Kräften und kurzer Zeitdauer minimal. In der Regel arbeitet die Federungseinheit der­ gestalt, daß sich der Kolben bei statischer Belastung in seiner Mittellage befindet. Bei erhöhter Kraft bewegt er sich zusammen mit der ringförmigen, beweglichen Dichtung gegen den Druck im Zylinder axial nach innen. Bei Kräften kleiner als die statische Belastung bleibt die ringförmige, bewegliche Dichtung in Normalposition, und der Kolben wird vom Druck im Zylinder axial nach außen bewegt. Auf diese Weise übt die Federungseinheit bei konstantem Luftdruck in einer Richtung eine größere, in der anderen Richtung eine kleinere Kraft aus, und in der Zwischenlage wird eine starre Unterstützung gewährleistet.

Zwar gehören bereits vielfältige Bauformen von Federungs­ einheiten zum Stand der Technik. Sie alle sind jedoch nicht geeignet, die eingangs genannte Aufgabe zu lösen.

So beschreibt die US 5 314 172 eine bei Pressen zur An­ wendung gelangende, federnd nachgiebige Einheit, die einen Zylinder, einen Kolben sowie eine zwischen dem Zylinder und dem Kolben angeordnete Dichtung aufweist. Die ringförmige Dichtung ist jedoch fest mit dem Kolben verbunden und nicht in der Lage, Relativbewegungen sowohl bezüglich des Zylinders als auch bezüglich des Kolbens auszuführen.

Die US 5 129 635 beschreibt eine Gasfeder für Werkzeug­ maschinen, bei der die Ausgestaltung von Dichtungen im Vordergrund steht, um bei hohen Drücken eine hohe Lebens­ dauer zu erreichen.

Die WO 94/25775 beschreibt eine Gasfeder, bei der die Federkraft durch adiabatische Zustandsänderung in nur einer Stufe erzielt wird. Dichtungen sind zwar vorhanden, jedoch axial feststehend ausgebildet.

Die DE 39 36 034 A1 beschreibt ein hydropneumatisches Federungssystem, welches die Zielsetzung hat, durch einen schwimmenden Kolben verschiedene Drücke in den pneumatischen und hydraulischen Teilen zu erzeugen.

Die DD 61 389 beschreibt eine Federungseinheit, die zur Aufnahme seitlicher Stöße bei Eisenbahnfahrzeugen konzipiert ist. Durch Volumenänderung eines Gasakkumulators ist eine stark progressive Charakteristik angestrebt. Der äußere Zylinder ist nur ein Ausgleichsbehälter.

Die DE 39 34 821 C2 beschreibt eine Luftfeder für Fahrzeuge mit einem Rollbalg, wobei wiederum die erfindungsgemäßen Merkmale nicht zur Anwendung gelangen.

Zur Erläuterung der Erfindung erfolgt nachstehend eine nähere Beschreibung zweier Ausführungsbeispiele, wobei auf die beiliegende Zeichnung Bezug genommen wird. In dieser zeigen:

Abb. 1 eine erste Bauform der Federungseinheit in schematischer Darstellung und

Abb. 2 ein Bewegungs-Kraft-Schaubild der Federungs­ einheit.

Die beispielsgemäß als Dreiphasen-Luftfedereinheit ausge­ führte Federungseinheit wird in den Punkten 1 und 9 zwischen Fahrzeugrahmen und Radachse eingebaut und mit einer Stange 5 in einem Rohr 2 geführt. Ein Luftzylinder 3 ist mit dem Rohr 2 fest verbunden, ein Kolben 4 ist mit der Stange 5 fest verbunden.

Der Luftzylinder 3 ist durch einen Schlauch 10 auf einen Druck­ akkumulator bzw. eine Druckregeleinrichtung 12 geschaltet, die einen konstanten Druck "p" liefert. Leckverluste werden von einem Kompressor 11 oder einem sonstigen Druckerzeuger ausgeglichen, im Falle eines hydraulischen Betriebes beispiels­ weise mittels einer Ölpumpe.

Im Luftzylinder 3 ist der an der Stange 5 befestigte, zylind­ rische Kolben 4 angeordnet. Der Kolben 4 ist beim Ausführungs­ beispiel hohl ausgebildet und an der dem Inneren des Luftzy­ linders zugewandten, vorliegend oberen Axialseite offen, kann allerdings ohne weiteres auch geschlossen oder in Vollmaterial ausgeführt sein, was strichpunktiert angedeutet ist. Als Dichtung zwischen Kolben 4 und Zylinder 3 ist eine ringför­ mige, axial bewegliche Dichtung 6 vorgesehen, die radial zwischen dem Kolben 4 und dem Zylinder 3 sitzt. Der Luftzy­ linder ist an einer Axialseite, vorliegend an der Unterseite, offen. Abgeschlossen ist er an dieser Axialseite durch den Kolben 4 und die auf diesem sitzende, sowohl bezüglich dem Kolben 4 als auch bezüglich dem Zylinder 3 axial bewegliche Dichtung 6. Letztere stützt sich in der Mittellage an z. B. ringförmigen, axial gerichteten Stütz- und Dichtungsflächen 7, 8 des Zylinders 3 und des Kolbens 4 ab. Diese Stütz- und Dichtungsflächen 7, 8 sind beispielsweise koaxial zueinander angeordnet und weisen in die gleiche axiale Richtung, und zwar in Richtung der Dichtung 6. Sie bilden Hubbegrenzer für die axial bewegliche Dichtung 6, die vom Druck p im Zylinder beaufschlagt und in Richtung der Flächen 7, 8 gedrückt wird.

Sie befinden sich beispielsgemäß an den zwei einander zugeord­ neten Stirnseiten von Zylinder 3 und Kolben 4 im Bereich der offenen Axialseite des Zylinders 3. Während der Bewegung nach oben oder unten sind die mit der Dichtung zusammenwirkenden Dichtungsflächen die äußere Umfangsfläche des Kolbens 4 und die innere Zylinderfläche des Zylinders 3.

Die Federungseinheit befindet sich in der Mittellage gemäß Abb. 1, soweit die Kraft zwischen den Punkten 1, 9 kleiner ist als D²πp/4, aber größer ist als d²πp/4. In diesem Bereich der Kräfte ergibt sich eine starre Unterstützung.

Bei vergrößerter Kraft, in Abb. 1 in Richtung nach oben, also in Einfahrrichtung des Kolbens 4 bewegen sich Punkt 9, Stange 5, Kolben 4 sowie die von der Stütz- und Dichtungsfläche 8 des Kolbens 4 beaufschlagte bewegliche Dichtung 6, die auf Fläche 8 aufliegt, nach oben und das Rad kann den Straßenunebenheiten ohne weitere Erhöhung der Kraft folgen. Danach wird das Rad mit konstanter Kraft auf die Fahrbahn gedrückt. Da die unge­ federten Massen nur ein Bruchteil der gefederten Massen sind, geschieht das in kürzester Zeit.

Bei einer Vertiefung in der Fahrbahn wird die Kraft zwischen den Punkten 1, 9 kleiner und unter einem gewissen Wert wird der Kolben 4 vom Druck "p" im Ausfahrsinne nach unten in Bewegung gesetzt. Die bewegliche Dichtung 6 liegt dabei auf der ringför­ migen Fläche 7 des Zylinders auf und arbeitet an der inneren Zylinderfläche des Zylinder 3. Der Kolben fährt relativ zum Zylinder 3 und zu der Dichtung 6 nach unten aus. Das Rad kann die Fahrbahn kopieren mit einem konstanten Minimalwert der Unterstützung.

Bei einem Fahrbahnprofil, bei dem sich der Kolben 4 im Luft­ zylinder 3 in rascher Reihenfolge nach oben und nach unten bewegt, werden auf den Wagenaufbau keine Stöße weitergegeben, weil nur die bewegliche Dichtung 6 entsprechende Bewegungen ausführt.

Das Bewegungs-Kraft-Schaubild der Dreiphasenluftfederungsein­ heit nach Abb. 1 wird in Abb. 2 gezeigt.

Ergänzend sei nochmals ein bevorzugter Aufbau des Luftzylin­ ders kurz zusammengefaßt. Demnach ist die Führungsröhre 2 oben mit einem Fahrgestell durch Bolzen und die Führungsstange 5 unten mit einer Radachse durch Bolzen 9 verbunden. Im Luft­ zylinder 3, der mit der Röhre 2 zusammengebaut ist, kann sich, insbesondere durch die Bauteile 2, 5 geführt, der zumindest an der Unterseite geschlossene und an der Stange 5 befestigte hohle Kolben 4 kolbenartig bewegen. Zwischen dem Zylinder 3 und dem Kolben 4 ist eine relativ zu beiden Teilen axial bewegliche Dichtung 6 angeordnet. Dichtungsflächen sind in der Normallage axiale Kreisringflächen 7 und 8 am unteren Endbereich von Zylinder 3 und Kolben 4, während der Bewegungen die äußere Kolbenfläche und die innere Zylinderfläche. Der Zylinder 3 ist mit der Rohrleitung 10 an einen Druckakkumulator 12 angeschlos­ sen. Die Leckverluste werden von der Pumpe 11 ersetzt.

Daraus resultiert eine Arbeitsweise derart, daß sich bei statischer Belastung der Kolben 4 in Grundstellung nach Abb. befindet. Bei Stoßkräften bewegen sich der Kolben 4 und die bewegliche Dichtung 6 nach oben. Der Federweg ist nur durch die Abmessungen begrenzt, die Federkraft ist konstant: D²πp/4. Rollt das Rad über ein Schlagloch, so bewegt sich der Kolben 4 nach unten und die bewegliche Dichtung 6 stützt sich an der Dichtungsfläche 7 des Zylinders 3 ab. Der Federweg ist nur durch die Abmessungen begrenzt, die Federkraft ist konstant: d²πp/4. Hierbei ist "D" der Durchmesser des Zylinders 3 und "d" der Durchmesser des Kolbens 4. Bei dieser Federung ist zwischen Radachse und Fahrgestell keine mechanische Unter­ stützung vorhanden, sondern nur ein Luftpolster.

Auch bei raschen Bewegungen der Radachse nach oben und unten ergeben sich keine Schläge, nur die bewegliche Dichtung 6 wird davon betroffen. Mit Hilfe des Druckes p kann die Federung an die Belastung angepaßt werden.

Durch diese technische Ausführung kann die gestellte Aufgabe gelöst werden: minimale vertikale Bewegungen des Fahrzeuges während die Räder frei und ohne zeitliche Verspätung auf der Fahrbahn abrollen. Die Wagenhöhe ist belastungsunabhängig, es gibt keine Nick- und Kippbewegungen.

Schon mit mäßigen Arbeitsdrücken (etwa 0,5 MPa) ist der Einbau­ raum mit dem der üblichen Schraubenfeder zu vergleichen. Stoßdämpfer und Stabilisatoren sind nicht nötig. Auch Spezial­ materialien, wie z. B. Federstahl sind unnötig.

Das System kann auch hydropneumatisch ausgeführt werden. In diesem Falle sind die Arbeitszylinder hydraulisch, es ist eine Ölpumpe und ein gasgefüllter Druckakkumulator in die Anlage eingebaut.

Bei Fahrzeugen, bei denen die Belastung im Verhältnis zum Eigengewicht stark variabel ist, z. B. Stadtomnibussen, Last­ autos, Güterwagen, kann mit Regelung des Arbeitsdruckes "p" eine belastungsunabhängige, optimale Federung erzielt werden.

Zu berücksichtigen ist zwar gegenüber mechanischen Federungs­ systemen der Energieverbrauch des Kompressors. Normalerweise sind allerdings nur die Leckverluste zu decken. Das ist mit dem höheren Energieverbrauch der Aktivsysteme nicht zu ver­ gleichen.

Zusammenfassend kann nochmals festgehalten werden, daß insbe­ sondere eine Federungseinheit vorgeschlagen wird, die einen Zylinder 3 mit konstantem Druck mit darin untergebrachtem Kolben 4 aufweist, wobei dazwischen eine ringförmige beweg­ liche Dichtung 6 angeordnet ist. Die bewegliche Dichtung 6 kann sich am Zylinder 3 und Kolben 4 mittels ringförmigen Dichtflächen 7, 8 abstützen. Aus der Mittellage kann sich der Kolben 4 zusammen mit der beweglichen Dichtung 6 in einer Richtung bewegen, in Gegenrichtung bewegt sich der Kolben 4 nur allein.

Claims (5)

1. Federungseinheit, insbesondere für Straßen- und Schienenfahrzeuge, mit einem Zylinder (3), einem darin axial beweglich angeordneten Kolben (4) und einer Ein­ richtung (11, 12) zur Beaufschlagung des Zylinders (3) mit konstantem Druck, dadurch gekennzeichnet, daß radial zwischen dem Zylinder (3) und dem Kolben (4) eine bezüg­ lich beiden Teilen (3, 4) axial bewegliche, ringförmige Dichtung (6) angeordnet ist, die auf ihrer einen Axial­ seite von dem im Zylinder (3) herrschenden Druck beauf­ schlagt ist und deren entgegengesetzter Axialseite zwei ringförmige, in Axialrichtung gesehen konzentrisch ange­ ordnete Abstützflächen (7, 8) mit unterschiedlichem Durch­ messer gegenüberliegen, wobei die eine (7) mit größerem Durchmesser sich radial einwärts erstreckend am Zylinder (3) und die andere (8) mit geringerem Durchmesser sich radial auswärts erstreckend am Kolben (4) angeordnet ist, derart, daß die Dichtung (6) bei einfahrendem Kolben (4) von der an diesem vorgesehenen Abstützfläche (8) entgegen den auf die Dichtung (6) einwirkenden Druckkräften axial ins Zylinderinnere mitgenommen und bei ausfahrendem Kolben (4) von der am Zylinder (3) vorgesehenen Abstützfläche (7) zurückgehalten wird.

2. Federungseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Zylinder (3) ein Luft- oder Pneumatik­ zylinder ist.

3. Federungseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Zylinder (3) mit Öl gefüllt ist.

4. Federungseinheit nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Einrichtung zur Beaufschlagung des Zylinders (3) mit konstantem Druck über einen als Ölpumpe ausgebildeten Druckerzeuger (11) und einen eine Gasfüllung aufweisenden Druckakkumulator (12) verfügt.

5. Federungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einerseits der ring­ förmigen, beweglichen Dichtung (6) und andererseits dem Zylinder (3) und/oder dem Kolben (4) Rollbälge vorgesehen sind.