DE19841808C2

DE19841808C2 - Luftfederung für mehrere Wirkungsrichtungen mit einem Hochdruck-Zusatzluftvolumen

Info

Publication number: DE19841808C2
Application number: DE1998141808
Authority: DE
Inventors: Bernd Bergander; Herbert Haas
Original assignee: Deutsche Bahn AG
Current assignee: DB Reise and Touristik AG
Priority date: 1998-09-12
Filing date: 1998-09-12
Publication date: 2003-05-28
Anticipated expiration: 2018-09-13
Also published as: DE19841808A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Hochdruck-Zusatzvolumen für Luftfederungen, vor zugsweise für Schienenfahrzeuge.

Für Fahrzeuge mit sehr gutem Federungs- und Schwingungskomfort hat sich im Verlauf der letzten 20 Jahre die Abstützung des Transportgefäßes auf Luftfe dern durchgesetzt. Besonders bei Schienenfahrzeugen wird der Vorteil dieses Federungstyps darin gesehen, dass die Feder

- nicht nur in Richtung der Gewichtskraft eine definierte Steifigkeit besitzt, sondern auch rechtwinklig zu dieser;
- zur Regelung der Ladungshöhe herangezogen werden kann;
- bei relativ geringem Bauvolumen des verformbaren Federbalges hohe sta tische und dynamische Lasten aufnimmt.

Dadurch lassen sich Luftfedern sowohl zur Abstützung der Gewichtskraft in vertikaler Richtung als auch zur Aufnahme von in Längs- und Querrichtung zwi schen Fahrwerk und Transportgefäß wirkenden Kräften einsetzen.

Im Zusammenhang mit steigenden Fahrgeschwindigkeiten - bei Schienenfahr zeugen dzt. bis 300 km/h - besteht die Tendenz, die Eigenfrequenzen des Transportgefäßes zu immer kleineren Werten zu verschieben; dies erfordert Federn, die in ihrer Hauptwirkungsrichtung immer geringer werdende Steifig keiten aufweisen. Folglich muss das Luftvolumen, das durch die Bewegungen des Transportgefäßes zusammengedrückt bzw. entspannt wird, immer größer werden.

Dies wird i. a. dadurch realisiert, dass der eigentliche Federungskörper - der verformbare Federbalg - mit einem starren Zusatzluftbehälter verbunden wird, dessen Inhalt unter dem gleichen statischen Druck steht wie der Federbalg und sich bei den Federbewegungen ebenfalls zusammendrückt bzw. entspannt. Das gesamte als Feder wirkende Luftvolumen setzt sich aus dem Volumen des Fe derbalges und aus dem des Zusatzluftbehälters zusammen.

Volumina des Zusatzluftbehälters von 100 bis 150 l je Feder sind jedoch schwierig im Fahrwerk unterzubringen; folglich wird der Zusatzluftbehälter häu fig räumlich vom Fahrwerk - und damit vom Luftbalg - entfernt im Raum zwi schen Fahrwerk und Transportgefäß untergebracht und mit dem Federbalg mittels Schlauchleitungen verbunden. Dies bringt eine Reihe von Nachteilen mit sich:

- Zusammen mit der Steifigkeit der Luft im Federbalg und im Zusatzluftbe hälter bildet die Masse der Luft in den Schlauchleitungen ein schwin gungsfähiges System, dessen Eigenfrequenzen die Abstimmung der Fede rung stört und der Federung eine frequenzabhängige Steifigkeit verleiht;
- der Zusatzluftbehälter unterliegt i. a. der Druckbehälter-Verordnung, was zu konstruktiven Einschränkungen führt;
- bei Abbau des Fahrwerkes müssen die Leitungen gelöst werden;
- die Dichtigkeit der Leitungen muss kontrolliert werden;
- bei modernen Schienenfahrzeugen ist der Raum zwischen Fahrwerk und Transportgefäß derart mit Bauelementen ausgefüllt, dass die Unterbringung großer Volumina schwierig bis unmöglich ist.

Mit Hinblick auf die Vermeidung der genannten Nachteile liegt es nahe, von der Tatsache Gebrauch zu machen, dass bei hohem Druck des federnden Gas polsters zur Aufnahme einer bestimmten Arbeit eine geringere Volumenände rung und ein geringeres Ausgangsvolumen erforderlich sind als bei geringem Druck des federnden Gaspolsters. Mit Hochdruck arbeitende Luftfedern werden bei Verkehrsfahrzeugen - besonders bei Personenkraftwagen - häufig vorteil haft eingesetzt. Der Stand der Technik wird daher anhand von Kraftfahrzeug- Luftfedern dargestellt. Beispielhaft werden folgende Schriften genannt:
Die DE 41 20 758 A1 betrifft eine hydropneumatische Luftfederung für große Achslastspreizungen. Die Anordnung stellt eine konstante Eigenfrequenz der Aufbaumasse auch bei unterschiedlichen Lasten und Lastverteilungen sicher und gestattet es, die Höhe der Aufbaumasse zu regulieren (sog. Niveauregulie rung). Die Anordnung wirkt jedoch nur in einer Richtung.

Die DE 44 01 770 A1 betrifft ein selbstpumpendes Federbein mit Niveauregulie rung. Auch diese Erfindung vereint Elemente der Hydraulik und der Pneumatik, wobei die Aufgaben beider voneinander getrennt sind. Elemente der Pneumatik realisieren die Federung, diejenigen der Hydraulik die Dämpfung. Die Hydraulik wird nicht zur Beeinflussung die Federungscharakteristik genutzt.

Die EP 0 257 779 B1 betrifft einen Luftfederdämpfer für Fahrzeugfederungen. Das Federelement enthält mehrere Luftkammern mit unterschiedlichen Volumi na, durch die die verschiedenen Eigenfrequenzen und Dämpfungen des Fahr zeugaufbaus einerseits und der Radführungselemente anderseits verwirklicht werden. Auch diese Federung hat nur eine einzige Wirkungsrichtung.

Die gattungsbildende DE 35 24 863 A1 betrifft ein Verfahren und eine Vorrich tung zum Steuern der Federhärte insbesondere bei Fahrzeugen, also ein sog. semiaktives Federungselement. Ein Zusatzvolumen wird hierbei mittels eines Ventils zu- oder abgeschaltet. Die Federhärte wird dadurch verändert, dass so wohl der Druck als auch das Volumen des kompressiblen Mediums in Abhän gigkeit von verschiedenen Bewegungsgrößen schnell verändert werden können.

Die Beschreibung des Standes der Technik zeigt, dass an Federungen von Straßenkraftfahrzeugen im Vergleich zu einem Schienenfahrzeug geringere Anforderungen gestellt werden, da ein Federelement nur eine einzige Wir kungsrichtung besitzen muss, nämlich diejenige der Gewichtskraft. Eine Schie nenfahrzeugfederung, die das Transportgefäß gegenüber dem Fahrwerk ab stützt, muss jedoch im allgemeinen auch in den Richtungen längs und waage recht/quer nachgiebig sein. Dies wird durch den Federbalg gewährleistet, der aus den oben genannten Gründen mit einem Zusatzluftbehälter verbunden sein muss.

Es besteht daher die Aufgabe, den Zusatzluftbehälter derart zu gestalten, dass er unter Vermeidung langer Schlauchleitungen in unmittelbarer räumlicher Nähe des Federbalges untergebracht werden kann. Dies setzt voraus, die Baugröße des Zusatzluftbehälters erheblich zu verringern und geschieht dadurch, dass das im Zusatzluftbehälter enthaltene Gas unter einen höheren Druck als die im Federbalg enthaltene Luft gesetzt wird.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst.

Die dafür erfor derliche Anordnung geht aus Fig. 1 hervor.

Der Federbalg mit der aktiven Querschnittsfläche A_B (1) umschließt das Volu men V_n (4) mit dem niedrigen Druck p_n. Der Zusatzluftbehälter umschließt das das Volumen V_h (5), das unter hohem Druck p_h steht. Niederdruckvolumen (4) und Hochdruckvolumen (5) werden durch den Druckübersetzer in Form eines Stufenkolbens verbunden, dessen größere Fläche A_n (2) dem Niederdruckvolu men V_n (4) des Federbalges und dessen kleinere Fläche A_h (3) dem Hoch druckvolumen des V_h (5) des Zusatzluftbehälters zugewandt ist; das Verhältnis der Kolbenflächen ist dem der Drücke reziprok:

p_n/p_h = A_h/A_n.

Der Druckübersetzer sorgt dafür, dass ein Gleichgewicht der Kräfte zwischen dem Niederdruckvolumen V_n (4) des Luftbalges mit dem Druck p_n und dem Hochdruckvolumen V_h (5) des Zusatzluftbehälters mit dem Druck p_h herrscht.

Fig. 2 stellt vereinfachend dar:

- Den Luftbalg mit seinem Volumen V_n (4), in dem der Druck p_n herrscht und der über den aktiven Balgquerschnitt (1), dessen Fläche die Größe A_B hat, mit dem nicht dargestellten Fahrwerk verbunden ist;
- das vom Zusatzluftbehälter umschlossene Hochdruckgasvolumen V_h (5), in dem der Druck p_h herrscht;
- den Druckübersetzer mit dem Stufenkolben; dessen größerer Kolben (2) mit der Querschnittsfläche A_n ist dem Niederdruckvolumen (4) des Luftbalges zugewandt; sein kleinerer Kolben (3) mit der Querschnittsfläche A_h ist dem Hochdruckgasvolumen (5) zugewandt.

Zur Realisierung dieses Vorschlages kann auf ausgereifte handelsübliche Ele mente z. B. der Hydropneumatik zurückgegriffen werden. In diesem Fall wird der Zusatzluftbehälter durch eine Speicherblase realisiert, die durch Drucköl (7) beaufschlagt wir, das auch unter dem Druck p_h steht. Zum Ausgleich von Schwankungen der statischen Last kann dem Volumen zwischen der Speicher blase (5) und dem Kolben (3) des Druckübersetzers Öl aus dem Vorratsbehälter (6) zugeführt werden.

Bezugszeichen

1

Aktiver Balgquerschnitt des Federbalges

2

Kolben mit der großen, dem Luftvolumen (

4

) im Federbalg zuge kehrten Querschnittsfläche des Druckübersetzers

3

Kolben mit der kleinen, dem Luft- bzw. Gasvolumen (

5

) im Zusatz luftbehälter zugekehrten Querschnittsfläche des Druckübersetzers

4

Luftvolumen im Federbalg

5

Luft- bzw. Gasvolumen im Zusatzluftbehälter

6

Vorratsbehälter für Drucköl

7

Drucköl zwischen dem Luft- bzw. Gasvolumen (

5

) im Zusatzluftbe hälter und dem Kolben mit der kleineren Querschnittsfläche (

3

) des Druckübersetzers

8

Speicherblase, die die Funktion des Zusatzluftvolumens wahrnimmt
A_B

Fläche des aktiven Querschnitts des Federbalges
A_n

Querschnittsfläche des größeren Kolbens des Druckübersetzers, der dem Luftvolumen (

4

) im Federbalg zugewandt ist
A_h

Querschnittsfläche des kleineren Kolbens des Druckübersetzers, der dem Luft- bzw. Gasvolumen (

5

) im Zusatzluftbehälter zugewandt ist
p_n

Druck des Luftvolumens (

4

) im Federbalg
p_h

Druck des Luft- bzw. Gasvolumens (

5

) im Zusatzluftbehälter

Claims

1. Hochdruck-Zusatzvolumen für Luftfederungen, vorzugsweise für Schienen fahrzeuge, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftfederung in mehrere Wirkungsrichtungen nachgiebig ausgebildet ist und der Luftbalg, der das unter dem niedrigen Druck p_n, stehende Volumen V_n (1) einschließt, mit dem Zusatzbehälter, der das unter dem hohen Druck p_h stehende Gasvolumen V_h (5) einschließt, durch einen Druckübersetzer, bestehend aus einem Stufen kolben, dessen große Kolbenfläche A_n (2) dem Niederdruckvolumen V_n (1) und dessen kleine Kolbenfläche A_h (3) dem Hochdruckvolumen V_h (5) zuge wandt ist, verbunden ist; das Verhältnis der Kolbenflächen von (2) und (3) ist dem der Drücke p_n und p_h reziprok:
p_n/p_h = A_h/A_n.

2. Hochdruck-Zusatzvolumen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Hochdruck-Zusatzvolumen V_h (5) durch eine Speicherblase (8) re alisiert wird, die der Kolben (3) des Druckübersetzers mit der kleinen Quer schnittsfläche A_h mit Drucköl (7), das unter dem Druck p_h steht, beauf schlagt.

3. Hochdruck-Zusatzvolumen nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekenn zeichnet, dass zum Ausgleich von Schwankungen der statischen Last das Volumen des Drucköls (7) zwischen dem unter dem Druck p_h stehenden Zu satzvolumen V_h (5) und dem Kolben (3) mit der Querschnittsfläche A_h geän dert werden kann, indem Drucköl (7) aus einem Vorratsbehälter (6) zuge führt oder in einen Vorratsbehälter (6) abgegeben wird.

4. Hochdruck-Zusatzvolumen nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekenn zeichnet, dass einer der beiden Kolben des Druckübersetzers - der Kolben (2) mit der größeren Querschnittsfläche A_n oder der Kolben (3) mit der klei neren Querschnittsfläche A_h - oder beide Kolben des Druckübersetzers eine flexible Membran aufweisen.