Hydraulische Lagerbüchse

Die Erfindung betrifft eine hydraulische Lagerbüchse, die folgende Merkmale aufweist:

- eine vorzugsweise zweigeteilte innere Buchse zur Aufnahme eines Lagerzapfens,

- einen ringförmigen Gummikörper, der die innere Buchse radial außenseitig und/oder axial außenseitig mindestens teilweise umfasst und mit ihr durch Vulkanisation verbunden ist,

- ein äußeres ringförmiges Gehäuse, an dessen Innenumfang der ringförmigen Gummikörper axial und radial außenseitig abgestützt ist, sowie

- mindestens zwei in Umfangsrichtung zwischen dem ringförmigen Gummikörper und dem ringförmigen Gehäuse oder innerhalb des Gummikörpers ausgebildete, jeweils über Teilbereiche des Umfangs sich erstreckende und mit einer Hydraulikflüssigkeit befüllbare Kammern, wobei die Kammern über mindestens einen Ausgleichs- und Drosselkanal so miteinander verbunden sind, dass bei Belastung der inneren Buchse durch Lagerkräfte Hydraulikflüssigkeit zwischen den Kammern austauschbar ist.

Derartige hydraulische Lagerbüchsen zur Beeinflussung und/oder Einstellung des Dämpfungsverhaltens von Lagern an Fahrzeugen, insbesondere Schienenfahrzeugen, sind bereits in unterschiedlichen Ausführungen bekannt. Solche Lagerbüchsen werden zur elastischen Lagerung von beweglichen Teilen wie etwa den Teilen eines Laufwerks eines Fahrzeugs, insbesondere eines Schienenfahrzeugs eingesetzt, hier auch als „Radsatzführungsbuchsen“ bezeichnet.

In der Regel besteht eine solche als Gummi-Metall-Lager ausgebildete Lagerbüchse aus einem innen liegenden Gummimetallelement, welches in einer metallenen Hülse aufgenommen ist. Die äußere metallene Hülse ist zum Beispiel mit der Karosserie des Fahrzeugs verbunden, während das innen liegende Gummimetallelement einen Zapfen aufnimmt, der am Fahrwerk befestigt ist. Bei Radsatzführungsbuchse in Eisenbahnfahrgestellen ist der Zapfen oder Bolzen mit dem Drehgestellrahmen verbunden, während die äußere metallene Hülse in der Primärfederschwinge gelagert ist.

Zwischen dem elastomeren Teil/ Gummiteil des Gummimetallelement und der metallenen Hülse als Gehäuseelement sind über Teilbereiche des Umfangs sich erstreckende und mit einem Hydraulikfluid/einer Hydraulikflüssigkeit befüllbare Kammern angeordnet, oft nierenförmig ausgebildet über einen Teilumfang des Lagers. Diese befüllbaren Kammern sind untereinander oder mit einer Ausgleichskammer durch mindestens einen Verbindungskanal verbunden. Je nach Konstruktion können diese Hydraulikkammem auch vollständig im Gummiteil des Gummimetallelements angeordnet werden.

Bei Belastung der hydraulischen Buchse wird durch das Einfedem des Gummiteiles eine Kammer verkleinert, so dass ein Teil der Hydraulikflüssigkeit in der Kammer durch den Verbindungskanal in die andere Kammer oder in eine Ausgleichskammer strömt. Der Verbindungskanal wirkt dann als hydraulische Drossel, nämlich als Drosselkanal. Das Durchströmen des entsprechend ausgebildeten Drosselkanals erzeugt Dissipation und somit Dämpfungsarbeit.

Eine hydraulische Flüssigkeit wird somit zumindest teilweise von dem gummielastischen Material umgebenen, etwa in diametral gegenüberliegend angeordneten Kammern zum Bereitstellen weiterer schwingungsabsorbierender Eigenschaften bereitgestellt. Dabei dient der Verbindungskanal mit seiner Drosseleigenschaft als Schwingungstilger oder zum Bereitstellen einer dynamischen Steifigkeit in entsprechender Belastungsrichtung.

Eine solche Lagerbüchse offenbart die DE 103 10633 Al . Dort ist eine Buchse für ein Lager zur elastischen Verbindung von Teilen eines Laufwerks beschrieben. Die insbesondere für Schienenfahrzeuge bestimmte Buchse weist ein inneres Gehäuse auf, um das zur Bildung eines Ringspaltes radial beabstandet ein äußeres Gehäuse vorgesehen ist. In dem Ringspalt befindet sich ein gummielastisches Element, das zwei diametral gegenüberliegende Kammern begrenzt, die mit einer hydraulischen Flüssigkeit gefüllt sind und über einen als Schwingungstilger ausgebildeten Überlaufkanal miteinander verbunden sind. Die Dämpfungseigenschaften solcher hydraulischen Buchsen sind aufgrund ihrer Bauweise frequenzabhängig. Üblicherweise werden niederfrequente Schwingungen, also Schwingungen mit Frequenzen unterhalb von ca. 2 Hz , die im allgemeinen mit Amplituden von ca. 10 mm auftreten, stark gedämpft, während hochfrequente Schwingungen, also Schwingungen im Frequenzbereich oberhalb des genannten Wertes, aufgrund der Trägheit und Inkompressibilität der Hydraulikflüssigkeit und der Gummifeder weitaus weniger gedämpft werden. Diese Eigenschaften macht man sich bisher dadurch zu Nutze, dass durch die Ausgestaltung des Verbindungskanals, d.h. durch dessen Durchmesser und Länge, die Dämpfung und die dynamische Steifigkeit frequenzabhängig eingestellt werden können. Eine hohe dynamische Steifigkeit versucht man dabei mit einem kleinen Kanalquerschnitt zu erreichen, bei gleichzeitig hoher Blähsteifigkeit des Gummikörpers. Bei schneller Fahrt und damit bei einer kurzen Abfolge von Unebenheiten auf der Schiene und dadurch auftretende mechanische Stöße braucht man eine solche hohe Steifigkeit und harte Lagerung, um die Fahr Sicherheit auch bei hohen Geschwindigkeiten zu gewährleisten.

Andererseits soll etwa bei Kurvenfahrten, bei niederfrequenten Stößen oder bei quasi statischen Belastungen eine möglichst weiche Lagerung erreicht werden. Eine solche „weiche“ Steifigkeit erzielt man aber nur mit einem entsprechend weichen Gummikörper. Mit einem weichen Gummikörper ist aber eine hohe Blähsteifigkeit der mindestens teilweise vom Gummikörper begrenzten Hydraulikkammern nicht zu erreichen. Es ergibt sich also ein klassischer Zielkonflikt, bei dem der Wunsch nach weicher Lagerung in Fahrzeuglängsrichtung mit der Bereitstellung der erforderlichen Fahrsicherheit kollidiert.

Hier setzt die vorliegende Erfindung an. Der liegt nämlich die Aufgabe zu Grunde, den genannten Zielkonflikt zu entschärfen und die Blähsteifigkeit solcher Lagerungen zu erhöhen bei annähernd gleich bleibenden Eigenschaften bzw. weicher Lagerung bei bestimmten statischen Belastungen oder niedrigen Frequenzen. Die Aufgabe besteht also darin, die gattungsgemäße Lagerbüchse so zu gestalten, dass im niedrigen Frequenzbereich weiche Steifigkeiten und bei definierten höheren Frequenzen hohe Steifigkeiten in Fahrtrichtung realisiert werden können, wobei zudem eine günstige Fertigung durch Einsatz günstiger Materialien, einfacher Gestaltungen und einfacher Fertigungsverfahren erreicht werden soll. Die hydraulische Radsatzführungsbuchse soll weiche Steifigkeiten bei niedriger Frequenz und hohe Steifigkeiten bei höheren Frequenzen bereitstellen. Gelöst wird die Aufgabe durch die Merkmale des Hauptanspruchs. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen enthalten. Ebenfalls offenbart die Erfindung ein Schienenfahrwerk mit der erfindungsgemäßen hydraulischen Lagerbüchse als Radsatzführungsbuchse.

Dabei sind in oder an dem ringförmigen Gummikörper Festigkeitsträger mit einem relativ zum Gummimaterial größeren Elastizitätsmodul so angeordnet, dass bei einem Druckanstieg in einer der Kammern eine mit einem Aufblähen oder einer Formänderung korrespondierende Dehnung des Gummikörpers mindestens in einer Richtung verringerbar ist, vorzugsweise in Fahrtrichtung verringerbar ist.

Der Elastizitätsmodul E ist umso größer, je kleiner die Verformung 8 ist, die ein Probekörper eines Materials unter einer bestimmten Last erfährt. Im linearen Bereich wird dieser Zusammenhang näherungsweise durch das Hookesche Gesetz beschrieben, wobei gilt G = E-c (mit G als Spannung in N/mm ² ).

Dabei lassen sich die Festigkeitsträger gezielt so in oder an dem Gummikörper anordnen und die erfindungsgemäße hydraulische Lagebuchse so gestalten, dass bei niederfrequenten Anregungen, wie z.B. bei Kurven- oder Weichenfahrten, sich das Rad entsprechend der weichen Längssteifigkeit zur Schiene mit geringen Gegenkräften und somit geringen Verschleiß und geräuscharm einstellt. Eine solche „Weichheit“ in Längsrichtung hat nicht unbedingt etwas mit Komfort zu tun, sondern reduziert den Verschleiß zwischen Rad und Schiene ebenso wie die Geräuschemission. In einigen Ländern wird z.B. ein Rad-Schiene-Verschleiß berechnet und durch Messungen erhoben. In diese Berechnung geht u.a. auch die Längssteifigkeit der Primärfederstufe, hier ausgeführt u.a. mit der hydraulischen Radsatzführungsbuchse ein. Im Gegensatz dazu soll aber die Laufstabilität durch die mit der Frequenz zunehmenden Härte in Längsrichtung erhöht werden.

Bei niederfrequenten Stößen oder Schwingungen wird so die gewünschte weiche Lagerung erreicht wird, während bei hochfrequenten Belastungen, etwa bei schneller Fahrt und damit bei einer kurzen Abfolge von Unebenheiten auf der Schiene eine Steifigkeit erreicht wird, nämlich eine hohe und für die Fahrsicherheit notwendige Steifigkeit in Fahrtrichtung. Man erhöht also durch das angepasste und richtungsabhängige Einbringen von Festigkeitsträgern in den Gummikörper dessen Blähsteifigkeit gezielt in den gewünschten Bereichen und entschärft damit den oben genannten Zielkonflikt erheblich. Versuche haben gezeigt, dass eine große Spreizung zwischen statischer und dynamischer Steifigkeit möglich ist, wobei ein Verhältnis von statischer zu dynamischer Steifigkeit von 1 : 15 erreicht wurde.

Eine vorteilhafte Weiterbildung besteht darin, dass die Festigkeitsträger durch Vulkanisation mit dem ringförmigen Gummikörper verbunden sind. Damit erhält man eine einfache Einbindung der Festigkeitsträger bereits bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Lagerbüchsen. Gerade bei solchen Lagerbüchsen lässt sich in konstruktiver Hinsicht eine weitere Ausbildung in vorteilhafter Weise realisieren, die darin besteht, dass die Festigkeitsträger ringförmig oder schraubenförmig ausgebildet sind.

Eine weitere vorteilhafte Ausbildung besteht darin, dass in oder an dem ringförmigen Gummikörper Festigkeitsträger aus einem metallischen Material angeordnet sind, vorzugsweise als Stahlcorde oder Stahlringe ausgebildet sind. Stahlcorde oder Stahlringe können in jeder Art und Weise hergestellt und auf ihre Anwendung angepasst werden.

Eine weitere vorteilhafte Ausbildung besteht darin, dass in oder an dem ringförmigen Gummikörper Festigkeitsträger aus einem Kunststoffmaterial angeordnet sind. Auch Kunststoffmaterialien lassen sich leicht bei der Herstellung der Lagerbüchsen im Gummimaterial integrieren. Eine Vulkanisation innerhalb des Gummimaterials ist ebenso möglich wie ein Verkleben am Gummimaterial.

Eine weitere vorteilhafte Ausbildung besteht darin, dass in oder an dem ringförmigen Gummikörper Festigkeitsträger aus einem Fasermaterial angeordnet sind, vorzugsweise aus Kevlarfasern, Glas- oder Carbonfasern. Bei solch einer Ausbildung ist es nicht nur möglich, die Festigkeitsträger durch Wicklung herzustellen, insbesondere bei den genannten „runden“ Lagerbüchsen, es können aus den Fasermaterialien auch beliebige Strukturen hergestellt werden. Dies kann beispielsweise in Form einer weiteren vorteilhaften Ausbildung geschehen, die darin besteht, dass die Festigkeitsträger als in oder an dem ringförmigen Gummikörper vorgesehenes Netz oder Gewebe ausgebildet sind. Eine weitere vorteilhafte Ausbildung besteht darin, dass zwei an beiden axial außenseitigen Enden des Gummikörpers anvulkanisierte Stützringe vorgesehen sind, vorzugsweise Stützringe aus Metall, wobei der Gummikörper über die Stützringe am Innenumfang des äußeren ringförmigen Gehäuses axial und radial abgestützt ist, vorzugsweise in beiden Endbereichen des ringförmigen Gehäuses. Erfindungsgemäß sind als Festigkeitsträger mindestens zwei metallische Ringe vorgesehen, welche am Innenumfang des Gummikörpers zwischen den axialen Enden der inneren Buchse und den Stützringen anvulkanisiert sind. Solche Ausführungen mit metallischen Stützringen an beiden Seiten oder Enden des Gummikörpers benötigt man beispielsweise zum Einsatz von Lagerbüchsen als Radsatzführungsbuchsen bei der Verwendung in Schienenfahrwerken.

Eine weitere vorteilhafte Ausbildung besteht darin, dass die als metallische Ringe ausgebildeten Festigkeitsträger mindestens teilweise innerhalb des Gummikörpers angeordnet sind. Damit ergibt sich einerseits ein sicherer Sitz der Festigkeitsträger und andererseits eine nicht zu aufwändige Herstellung.

Hydraulische Lagerbüchsen der erfindungsgemäßen Art sind insbesondere in Schienenfahrwerken gut zu verwenden, hier als Radsatzführungsbuchsen. In solchen Schienenfahrwerken ist es wichtig, dass unterschiedliche Steifigkeiten in unterschiedlichen Richtungen ausgebildet werden können, wie oben bereits dargelegt.

Anhand eines Ausführungsbeispiels soll die Erfindung näher erläutert werden.

Fig. 1 zeigt prinzipiell eine hydraulische Lagerbüchse 1 für ein hier nicht näher dargestelltes Schienenfahrwerk. Die hydraulische Lagerbüchse weist eine innere Buchse 2 zur Aufnahme eines Bolzens oder Lagerzapfens 12 auf, der zur Verbindung mit dem Drehgestellrahmen dient. Ebenfalls weist die hydraulische Lagerbüchse einen ringförmigen Gummikörper 3 auf, der die innere Buchse 2 radial außenseitig und axial außenseitig teilweise umfasst und mit ihr in diesen Umfassungsbereichen durch Vulkanisation verbundenen ist. Die hier gezeigte Ausführung der Lagerbüchse weist auch zwei an beiden axialen Enden des Gummikörpers anvulkanisierte ringförmige, metallische Stützringe 4 und 5 auf. Die hydraulische Lagerbüchse weist weiterhin ein äußeres ringförmiges Gehäuse 6 auf, an dessen Innenumfang, nämlich an den beiden axialen Enden des Gehäuses, die Stützringe 4 und 5 mit entsprechenden Sicherungen/Sicherungsringen 15 fixiert und durch Dichtringe 16 nach außen abgedichtet sind. Die Stützringe 4 und 5 dienen dazu, besonders hohe axiale Lasten sicher aufzufangen und vom Lagergehäuse 6 auf über den Gummikörper 3 auf die innere Buchse 2 zu übertragen. Bei weniger hohen axialen Lasten in anderen Anwendungsgebieten, als nicht bei Eisenbahnfahrwerken, sind durchaus Konstruktionen ohne solche Stützringe denkbar, bei denen etwa sämtliche axialen Lasten durch die Vulkanisationsverbindung zwischen Gummikörper, Gehäuse und innerer Buchse übertragen werden.

Die Fig. 1 zeigt ebenfalls, dass die hydraulische Lagerbüchse 1 zwei in Umfangsrichtung zwischen dem ringförmigen Gummikörper 3 und dem ringförmigen Gehäuse 6 ausgebildete, jeweils über Teilbereiche des Umfangs sich erstreckende und mit einer Hydraulikflüssigkeit befüllbare Kammern 7 und 8 aufweist, die über Ausgleichs- und Drosselkanäle 9 miteinander verbunden sind. Die Fahrtrichtung liegt hier in der Zeichnungsebene und die Hydrualikkammem werden im Betrieb der Lagerbüchse durch radiale, in Zeichnungsebene wirkende Kräfte mehr oder weniger verformt, so dass sich die darin befindliche Hydraulikflüssigkeit über den Ausgleichs- und Drosselkanal 9 in die jeweils andere Kammer strömen kann.

Zur Vereinfachung der Herstellung der Ausgleichs- und Drosselkanäle 9 besteht die innere Buchse 2 hier aus zwei koaxial ineinandergefügten hohlzylindrischen Körpern, nämlich aus einer mit einer äußeren Hülse 10 aus Stahl versehenen metallischen Buchse 11. Der Ausgleichs- und Drosselkanal 9 ist hierbei als Ausnehmung der Innenoberfläche Hülse 10 ausgebildet und verläuft schraubenförmig über eine Teillänge der inneren Buchse. Der Ausgleichs- und Drosselkanal 9 ist somit im Wesentlichen im Verbindungsbereich bzw. Kontaktbereich von Stahlhülse 10 und metallischer Buchse 11 ausgebildet.

Die innere Buchse 2 bzw. hier die äußere Hülse 10 der inneren Buchse 2 weist dazu natürlich entsprechende Zulaufbohrungen auf, die den jeweiligen Kanalanfang mit den entsprechenden Kammern verbinden. Entsprechende und mit den Zulaufbohrungen korrespondierende Bohrungen und Zuläufe weist natürlich auch der Gummikörper 3 auf. Die hier vorliegende Ausbildung der Lagebuchse besteht nun darin, dass als Stahlringe ausgebildete Festigkeitsträger 13, 14 teilweise innerhalb des Gummikörpers 3 angeordnet und einvulkanisiert sind. Die einen relativ zum Gummimaterial viel höheren Elastizitätsmodul aufweisenden Stahlringe verhindern durch ihre Anordnung am Innenumfang des Gummikörpers 3 sowie zwischen den axialen Enden der inneren Buchse 2 und den Stützringen 4, 5 ein Aufblähen des Gummikörpers 3 in Richtung auf die Lagermitte bei einem Druckanstieg in einer der Kammern 7, 8. Durch die solcherart erfindungsgemäß bereitgestellte hohe Blähsteifigkeit des Gummikörpers hängt die dynamische Steifigkeit dann im Wesentlichen von der Ausgestaltung des Verbindungskanals 9 ab, also von dessen Durchmesser und Länge. Bei schneller Fahrt und hoher Frequenz der Belastung braucht man eine hohe Steifigkeit und harte Lagerung, um die Fahr Sicherheit zu gewährleisten.

Eine gewisse Weichheit der Lagerbüchse in axialer Richtung bleibt aber auch bei der hier vorliegenden Konstruktion mit Festigkeitsträgem erhalten. Insoweit löst sich der eingangs beschriebene Zielkonflikt durch die erfindungsgemäße Ausbildung mit Festigkeitsträgern in einem zufriedenstellenden Maß. Geringe statische Steifigkeit in Fahrzeuglängsrichtung kann nur mit weichem Gummi realisiert werden und dieser hat naturgemäß keine hohe Blähsteifigkeit. Dafür sind dann erfindungsgemäß die Festigkeitsträger vorgesehen.

Zum besseren Verständnis zeigt Fig. 2 in einer perspektivischen Skizze einmal eine Anwendung bzw. den Einsatz einer Radsatzführungsbuchse im Schienenfahrwerk eines Eisenbahnfahrgestells 17. Der von der inneren Buchse bzw. von den zwei koaxial ineinandergefügten hohlzylindrischen Körpern umfasste Zapfen oder Bolzen 12 ist mit dem Drehgestellrahmen 18 verbunden, während das äußere Gehäuse 6 - hier nur in der Explosionsdarstellung sichtbar - in der Primärfederschwinge 19 gelagert ist, in der der Radsatz 20 aufgenommen ist. Bezugszeichenliste

(Teil der Beschreibung)

1 Lagebuchse / Radsatzführungsbuchse

2 innere Buchse

3 ringförmiger Gummikörper

4 metallischer Stützring

5 metallischer Stützring

6 äußeres ringförmiges Gehäuse

7 Hydraulikkammer

8 Hydraulikkammer

9 Ausgleichs- und Drosselkanal zwischen den Hydraulikkammern

10 äußere Stahlhülse der inneren Buchse

11 metallischen Buchse (innere Buchse)

12 Lagerzapfen

13 einvulkanisierter Festigkeitsträger (Stahlring)

14 einvulkanisierter Festigkeitsträger (Stahlring)

15 Sicherungsring/Sicherung

16 Dichtring

17 Eisenbahnfahrgestell

18 Drehgestellrahmen

19 Primärfederschwinge

20 Radsatz