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Die Erfindung betrifft eine Luftfeder mit einer elektrischen Schaltvorrichtung, aufweisend einen Abrollkolben, einen Balg aus elastomerem Material und darin eingebetteten Festigkeitsträgern und einen Deckel, wobei die Schaltvorrichtung außer am Luftfederdeckel oder am Luftfederkolben anbringbar auch in der elastomeren Balgwand einbettbar ist.
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Mit Luftfedern gefederte Fahrzeuge benötigen grundsätzlich eine Regelung, die das Fahrzeugniveau möglichst konstant hält. Dabei kommen neben mechanischen Systemen zunehmend elektrische und elektronische Regelsysteme zum Einsatz. Neben zu letzteren gehörigen Sensoren, die den Abstand zwischen Achse und Fahrzeug sensieren, sind hier auch Schaltvorrichtungen notwendig, die die entsprechenden Regelungsvorgänge auslösen bzw. unterbinden.
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Insbesondere beim Ausfall einer Luftfeder sind Schaltvorrichtungen notwendig, die entsprechend Alarmsignale oder Notprogramme auslösen.
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In der
DE 44 30 843 A1 ist ein Fahrzeugluftfedersystem mit Druckbegrenzung offenbart, bei dem in Abhängigkeit von verschiedenen Druckzuständen im Luftfedersystem verschiedene Schaltvorgänge vorzunehmen sind. Die dazu eingesetzten Schalter sind hier als elektropneumatische Druckschalter ausgebildet und mit Betriebsdruck in der Hauptluftleitung beaufschlagt. Dies lässt eine individuelle Berücksichtigung jeder einzelnen Luftfeder nicht zu. Außerdem sind mechanische Schalter anfällig, beispielsweise gegen Federbruch, und sie benötigen einen erheblichen Bauraum.
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In der
DE 10 2004 050 502 A1 ist eine Fahrzeughöheneinstellvorrichtung offenbart, bei der neben anderem auch ein Notbetätigungsschalter vorgesehen ist. Auch dieser ist nicht für und von den einzelnen Federn schaltbar.
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In der
DE 101 30 507 A1 ist eine Luftfeder offenbart, die jeweils Schaltelemente aufweist, wobei die Schaltelemente in einem Abrollbereich angeordnet und sind und ein Signal abgeben, wenn sie mit Druck beaufschlagt werden. Dadurch ist es möglich, bei jeder einzelnen Luftfeder die Eindringtiefe des Kolbens in den Balg messtechnisch zu erfassen.
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Die dabei zum Einsatz kommenden piezoelektrischen Messmittel oder Dehnungsmessstreifen sind jedoch einerseits aufwändig anzubringen oder unterliegen, insbesondere bei piezoelektrischen Folien, einem nicht unerheblichem Verschleiß.
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In der
WO 2005/029 514 A1 oder der
DE 602 10 951 T2 wird ein Material offenbart, dessen elektrische Leitfähigkeit durch elastische Verformung des Materials erheblich steigerbar ist. Diese Steigerung ist derartig groß einstellbar, dass ein Material dieser Art als elektrischer Schalter verwendbar ist. Das Material ist außerdem thermoplastisch verformbar und wird auch als Quantum Tunneling Composite (QTC-Material) bezeichnet.
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In der
US 2007 0 108 434 A1 ist eine elektrische Schaltvorrichtung offenbart, die aus einem QTC-Material ausgebildet und zum Messen von Kräften vorgesehen ist. Normales QTC-Material spricht zwar schnell an, es bedarf jedoch zum Zusammendrücken der Schaltelemente immer einer nennenswerten Kraft.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Luftfeder der eingangs geschilderten Art zu schaffen, bei der es möglich ist, die elektrische Schaltvorrichtung jeder einzelnen Luftfeder bei möglichst kleinem Bauraum so auszulegen, dass die Betätigung der Schaltvorrichtungen bei möglichst kleinen Drücken möglich ist.
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Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Schaltvorrichtung aus einem Schaum gebildet ist, der geschlossene Poren aus QTC-Materials aufweist, wobei der Schaum elastisch verformbar ist.
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Durch die Ausbildung als elastischer Schaum ist die Schaltvorrichtung bereits bei geringen Druckänderungen der Luftfeder verformbar. Daher setzt die Schaltwirkung der Vorrichtung entsprechend früher ein.
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In einer Weiterbildung der Erfindung ist der Schaum der Schaltvorrichtung derart ausgebildet, dass für die Veränderung der elektrischen Leitfähigkeit des kompressiblen Elementes, die zu einem Wechsel des Schaltzustandes führt, eine auf das Element wirkende Änderung des Druckes von weniger als 10 bar gegenüber dem normalen Betriebszustand notwendig ist.
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Durch die Wahl eines geeigneten, genügend weichen Trägermaterials und die Einstellung eines entsprechenden Innendrucks der QTC-Poren ist die Schaltvorrichtung schon bei geringen Druckänderungen schaltbar, so dass auch der Innendruck der Luftfeder mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung überwachbar ist. Beispielsweise führt ein Druckverlust bei einem Leck zu einer Ausdehnung der unter Nenndruck stehenden Poren, wobei diese Ausdehnung durch das umgebende weiche Trägermaterial nicht behindert wird. Dadurch ist ein Umschalten des Schaltzustandes der Schaltvorrichtung erreichbar, was in ein Alarmsignal umsetzbar ist.
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Die Ausbildung der Luftfeder mit QTC-Schaltelementen ermöglicht eine direkte Ermittlung von kritischen Druckzuständen jeder einzelnen Luftfeder eines Luftfedersystems. Die Schaltvorrichtungen sind auch gut geschützt vor Umwelteinflüssen direkt in der Balgwand plazierbar. Insbesondere durch die Ausbildungsform mit einem elastischen Schaum ist durch entsprechende Wahl der Größe der Poren und des QTC-Materials der Schaltpunkt der Schaltvorrichtung auf viele verschiedene Betriebspunkte einstellbar. Mechanische Schalter können so vermieden werden. Außerdem vereinen die QTC-Schaltelemente die Funktionen „Sensieren“ und „Schalten“, so dass weniger Bauteile und weniger Montageaufwand entstehen.
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Anhand der Zeichnung wird nachstehend ein Beispiel der Erfindung näher erläutert. Es zeigt
- 1 einen Längsschnitt einer erfindungsgemäßen Luftfeder und
- 2 einen vergrößerten Ausschnitt aus der 1
- 3 einen Längsschnitt durch ein unverformtes kompressibles QTC-Element
- 4 einen Längsschnitt durch ein verformtes kompressibles QTC-Element.
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In 1 ist eine Luftfeder 1 gezeigt, wie sie insbesondere in Schienenfahrzeugen zum Einsatz kommt. Die Luftfeder 1 weist einen Deckel 2 mit einem Konussitz 3 jeweils aus Metall auf. Außerdem ist im Deckel 2 und im Konussitz 3 ein Luftanschluss 4 luftdicht eingeschweißt, durch dessen Bohrung 5 Druckluft ins Innere der Luftfeder pressbar ist. Auf dem Konussitz 3 ist ein Luftfederbalg 7 luftdicht aufgesteckt. Der Deckel 2 weist an seinem äußeren Rand Stützbereiche 8 auf, die dem Luftfederbalg 7 zugewandt sind und diesen stützen. Der Luftfederbalg 7 ist an seinem dem Deckel 2 abgewandten Ende auf einer Kolbenplatte 9 luftdicht befestigt. Die Kolbenplatte 9 stützt sich über eine ringförmige Notfeder 10 aus elastomerem Material auf einer Befestigungsplatte 11 ab, die an einem hier nicht gezeigten Drehgestell eines ebenfalls nicht dargestellten Eisenbahnwagons mittels Befestigungselementen 12 anschraubbar ist.
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Auf der dem Deckel 2 zugewandten Seite der Kolbenplatte 9 ist eine ringförmige Notlaufgleitplatte 14 angeordnet, die mit Verschraubungen 15 an einer Endplatte 16 der Notfeder 10 anschraubbar ist. Zur Vermeidung von Undichtigkeiten, die zwischen der Notlaufgleitplatte 14 und den Verschraubungen 15 entstehen können, ist die Notgleitplatte 14 gegen die Endplatte 16 mit jeweils einer O-Ring-Dichtung 17 pro Verschraubung 15 abgedichtet. In 2 ist ein Ausschnitt mit einer Verschraubung 15 in einem vergrößerten Längsschnitt noch einmal gezeigt.
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Die Notlaufgleitplatte 14 ist aus einem harten Material mit guten Gleiteigenschaften ausgebildet. Zwischen der Notlaufgleitplatte 14 und der Endplatte 16 ist eine Nut 19 ausgebildet, in der ein inkompressibles QTC-Element 20 angeordnet ist, dass so in der Nut eingelagert ist, dass es mit seinen den jeweiligen Platten 14 oder 16 zugewandten Stirnflächen diese Platten mit einer vordefinierten Vorspannung kontaktiert. Die Vorspannung ist so eingestellt, dass das QTC-Element 20 in einer ersten Schaltstellung verharrt, so dass der innere elektrische Widerstand des QTC-Elementes in dieser ersten Schaltstellung einem Nichtleiter äquivalent ist.
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Im normalen Betrieb der Luftfeder 1 ist der Luftfederbalg 7 mit einem Luftdruck derart beaufschlagt, dass der Konussitz 3 auch bei maximaler Betriebsbelastung der Luftfeder 1 die Notlaufgleitplatte 14 nicht berührt. In außergewöhnlichen Betriebssituationen, beispielsweise über Ladung, zu starker Neigung des Wagens oder Schäden am Schienenstrang, kann es jedoch dazu kommen, dass der Konussitz 3 auf der Notlaufgleitplatte 14 aufsetzt. Dabei wird die Notlaufgleitplatte 14 elastisch im geringen Maße verformt, wobei diese Verformung an das QTC-Element 20 übertragen wird. Überschreitet diese Verformung einen vorbestimmten Grenzwert, wechselt das QTC-Element 20 seine Schaltstellung, so dass es wie ein elektrischer Leiter wirkt. Über diesen Schaltwechsel sind entsprechende Notmaßnahmen, z.B. Alarmsignale, Notbremsungen etc. ansteuerbar.
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Der Luftfederbalg 7 weist weiterhin ein kompressibles QTC-Element 21 auf. Dieses ist in der Nähe der Befestigungsstelle des Luftfederbalges 7 an der Kolbenplatte 9 in die elastomere Wand des Luftfederbalges 7 eingebettet und mit dieser durch Vulkanisation fest verbunden. Der Ort der Einbettung ist aufgrund des festen Sitzes zwischen Luftfederbalg 7 und Kolbenplatte 9 gegen elastische Verformungen durch den Betrieb der Luftfeder 1 geschützt.
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In 3 ist das kompressible QTC-Element 21 in einem Längsschnitt gezeigt. Ein elastisches, nicht kompressibles QTC-Material ist in einer Matrix 22 mit einer Vielzahl von kugelförmigen, komprimierbaren Hohlräumen 23 angeordnet. Die kugelförmigen Hohlräume 23 sorgen dafür, dass die an sich inkompressible QTC-Matrix 22 zusammendrückbar ist, da die kugelförmigen Hhlräume 23 komprimierbar sind. Die kugelförmigen Hohlräume 23 stehen unter einem vorbestimmten, mit dem Betriebsdruck im Luftfederbalg 7 abgestimmten Innendruck, so dass sie ihre Kugelform annähernd im normalen Betrieb der Luftfeder 1 aufweisen. Die QTC-Matrix 22 weist in diesem Zustand einen Schaltzustand auf, der einem Nichtleiter entspricht.
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Die elastische QTC-Matrix 22 ist zwischen zwei Elektrodenflächen 24 angeordnet und mit diesen elektrisch leitend verbunden. Der Verbund aus QTC-Matrix 22 und Elektrodenflächen 24 ist mit einer elastischen, gasdichten Hüllschicht 25 zu dem kompressiblen QTC-Element 21 umgeben. Die Elektrodenflächen 24 sind jeweils mit einem Anschlussdraht 26 elektrisch leitend verbunden. Die Anschlussdrähte 26 ragen durch die gasdichte Hüllschicht 25 aus dem kompressiblen QTC-Element 21 heraus.
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Die Hüllschicht 25 ist, hier nicht dargestellt, außenseitig mit einem Haftvermittler beschichtet, durch den nach der Vulkanisation eine gute Haftung des QTC-Elementes 21 mit der Balgwand des Luftfederbalges 7 gewährleistet ist.
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Steigt der Innendruck im Luftfederbalg 7, verformt sich die QTC-Matrix, wobei die kugelförmigen Hohlräume 23 komprimiert werden, wie es in 4 dargestellt ist. Überschreitet der Innendruck im Luftfederbalg 7 einen vorbestimmten Wert, wechselt die QTC-Matrix 22 durch die dann erreichte Verformung ihren Schaltzustand. Damit wird ein Stromfluss zwischen den Elektrodenflächen 24 möglich, der über die Anschlussdrähte 26 in das QTC-Element einleitbar ist.
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Sinkt der Innendruck im Luftfederbalg 7, dehnen sich die kugelförmigen Hohlräume 23 aufgrund ihres fest eingestellten Innendruckes aus, wobei die QTC-Matrix verformt wird. Bei Überschreitung eines entsprechenden Grenzwertes wechselt die QTC-Matrix 22 auch bei dieser Verformung ihren Schaltzustand, so dass ein Stromfluss durch das QTC-Element möglich wird.
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Aufgrund der gewählten Härte der elastischen Matrix 22, der Anzahl und Größe der Hohlräume 23 sowie deren Innendruck sind verschiedene Kennlinien des QTC-Elementes 21 einstellbar. Auf diese Weise ist es möglich, auch bei geringen Druckschwankungen im Luftfederbalg 7 eine entsprechende Schaltwirkung zu erzielen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Luftfeder
- 2
- Deckel der Luftfeder 1
- 3
- Konussitz des Deckels 2
- 4
- Luftanschluss
- 5
- Bohrung des Luftanschlusses 4
- 7
- Luftfederbalg
- 8
- Stützbereiche des Deckels 2
- 9
- Kolbenplatte
- 10
- Notfeder
- 11
- Befestigungsplatte
- 12
- Befestigungselemente
- 14
- Notlaufgleitplatte
- 15
- Verschraubungen
- 16
- Endplatte
- 17
- O-Ring-Dichtung
- 19
- Nut
- 20
- inkompressibles QTC-Element
- 21
- kompressibles QTC-Element
- 22
- elastische QTC-Matrix
- 23
- kugelförmige Hohlräume
- 24
- Elektrodenflächen
- 25
- Hüllschicht
- 26
- Anschlussdrähte