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Die Erfindung betrifft ein Stossdämpfungselement aus zwei hinsichtlich der Dichte unterschiedlichen elastomeren Materialien, von denen das eine kompakt und das andere porös, z. B. geschäumt ist.
Stossdämpfungselemente aus kompaktem Gummi werden in vielen Bereichen eingesetzt. Beispielsweise werden im Waggonbau Gummifedern in Puffern, aber auch andern Konstruktionselementen verwendet. Zweck derartiger Stossdämpferelemente ist es, die Übertragung stossförmiger Belastungen auf die folgenden Funktionsteile zu vermeiden, bzw. so abzuschwächen, dass diese nachfolgenden Funktionsteile nicht beschädigt werden können.
Aus der US-PS Nr. 3, 528, 609, DE-PS Nr. 1094781 und DE-OS 2627864 sind Unterlagsplatten für Schienen aus kompakten Elastomeren oder Kunststoffen bekannt. Die Stossdämpfungseigenschaften eines solchen kompakten Materials sind allein durch dessen Eigenschaften bestimmt und daher für verschiedene Einsatzzwecke auch diesbezüglich nicht variierbar. Dies kann dann ein Nachteil werden, wenn eine grössere Anpassungsfähigkeit der gewünschten Kraftaufnahme an den speziellen Einsatzzweck erforderlich ist.
Eine weitere Eigenschaft kompakter Elastomer- bzw. Kunststoffkörper, die sich auf die Stossdämpfungseigenschaften nachteilig auswirkt, besteht in der völligen Inkompressibilität derartiger Materialien. Dieser Nachteil tritt insbesondere dann zutage, wenn aus konstruktiven Gründen Stossdämpfungselemente gewählt werden müssen, deren Grösse im Vergleich zur Grösse der krafteinleitenden Fläche relativ gross ist. In diesem Fall kann das Material an der Stelle der Krafteinleitung nur relativ geringfügig durch seitliche Verschiebung ausweichen, da ja die die Krafteinleitungsfläche umgebende Fläche des Stossdämpfungselementes eine Materialverlagerung behindert. Daraus folgt, dass die Rückprallelastizität an dieser Stelle grösser wird, was der Funktion als Stoss- dämpfungselement entgegengesetzt ist.
Dieses Problem der erhöhten Rückprallelastizität ist in der FR-PS Nr. 2. 086. 643 insofern gelöst, als in einem aus elastomerem Material bestehenden Körper ein Schaumstoffstreifen derart eingelagert ist, dass dieser an der beaufschlagten Oberfläche im Vergleich zum kompakten Körper vorspringt.
In diesem Fall kann der kompakte Körper zwar bei Deformation besser ausweichen, es ist jedoch die Druckbelastung infolge der geringeren Auflagefläche weitaus höher, so dass schon nach kurzer Zeit Ermüdungserscheinungen der Rückstellkräfte festgestellt werden können. Ausserdem kann der gewünschte Deformationswiderstand nur in kleinen Rahmen einer Materialauswahl des kompakten Körpers variiert werden.
Aus der DE-OS 2446195 ist eine Kunststoffplatte zum Zwecke der Nivellierung von Schienensträngen bekannt, indem die Platten durch elektrische Heizleiter erwärmt werden und anschliessend an die dabei von selbst eintretende Nivellierung der Schienenstränge erhärten. Die dafür geeigneten Kunstharze, wie Polyester od. dgl., sind jedoch relativ unelastisch, so dass die Stossdämpfung unzureichend ist.
Aus der DE-AS 1784734 ist eine gummielastische Schienenunterstützung aus Elastomerschichten bekannt, die beispielsweise mit Gas gefüllte Zellen aufweisen können. Dieser Zellengummi lässt sich zwar im Vergleich zum kompakten Elastomeren besser komprimieren, die Verformbarkeit nimmt jedoch auch mit zunehmender Fläche ab.
Die Erfindung hat sich daher zum Ziel gesetzt, ein Stossdämpfungselement zu schaffen, dessen stossdämpfende und kraftabbauende Eigenschaften variierbar sind, und das auch im Falle der kleinflächigen Belastung voll funktionsfähig bezüglich der stossdämpfenden Eigenschaften bleibt.
Dies wird erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass das Stossdämpfungselement aus einer durch ein Bindemittel zusammengehaltenen Mischung von Teilchen aus kompaktem Material, z. B. Gummi, Polyurethan mit Teilchen aus porösem Material, z. B. flexiblem Kunststoffschaum besteht.
Durch diese Kombination von Teilchen aus kompaktem Material mit Teilchen aus porösem Material ist erreicht, dass bei Kraftbeaufschlagung ein Kraftabbau allein durch Kompression des elastomeren Materials erreicht wird, ohne dass dazu seitliche Materialverschiebungen stattfinden müssen.
Dadurch kann das erfindungsgemässe Stossdämpfungselement auch für die Stossdämpfung von auf gro- sse Flächen wirkenden Stössen verwendet werden.
Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass Verbundwerkstoffe aus Gummi- und Kunst-
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stoffgranulatmischungen an sich bekannt sind, dass ihre Verwendung als technisches Stossdämpfungselement für hochbelastete Konstruktionen aber bisher nicht beschrieben wurde. Vielmehr ist das Haupteinsatzgebiet derartiger Granulatverbundmaterialien der Sportbodenbelagsektor. Die Forderungen, die an einen Sportboden gestellt werden, sind aber hauptsächlich Griffigkeit, mechanische Festigkeit und-im Gegensatz zur Stossdämpfung - eine gute Elastizität, um einen möglichst guten "Wirkungsgrad"der vom Sportler aufgebrachten Kraft zu erzielen.
Auf Grund dieser Eigenschaften der bekannten Gummiverbundmaterialien war es nicht naheliegend, dieselben Materialien für einen Zweck zu verwenden, wo es vor allem auf die Stossdämpfung und den Kraftabbau auftreffender mechanischer Energie ankommt.
Enthält die Mischung zwischen etwa 5 und etwa 50 Gew.-% Teilchen aus kompaktem Material und den Rest Teilchen aus porösem Material, so weisen daraus hergestellte Stossdämpfungselemente besonders günstige Eigenschaften bezüglich des Kraftabbaues auf, da mit zunehmender Zusammendrückung einer derartigen Mischung ein progressiver Dämpfungseffekt eintritt, ohne dass der für kompakte Elastomeren charakteristische Rückpralleffekt zur Geltung kommt.
Für Einsatzzecke, wo auf Grund eines hohen spezifischen Druckes ein höherer Verformungswiderstand notwendig ist, ist es zweckmässig, wenn die erfindungsgemässe Mischung zwischen etwa
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und darüber liegen, nicht mehr möglich.
Beträgt der Anteil an Teilchen aus porösem Material weniger als etwa 2 Gew.-%, so ist die Volumsverteilung dieser Teilchen zwischen den Teilchen aus kompaktem Material bereits so gering, dass ein derartiges Stossdämpfungselement im wesentlichen die Eigenschaften eines nur aus kompaktem Material bestehenden Körpers aufweist. Ein Anteil an Teilchen aus porösem Material über 20 Gew.-% ist wegen des oben bereits diskutierten Nachteils bei höheren Kräften ungünstig.
Besonders günstig für Verwendungszwecke, wo periodische Stossbelastungen auftreten können, sind Mischungen, die etwa 5 bis etwa 10 Gew.-% Teilchen aus porösem Material halten.
Es sei an dieser Stelle erwähnt, dass die Teilchen aus porösem Material infolge der Herstellung auf jeden Fall im Stossdämpfungselement ein Volumen einnehmen, das geringer ist als ihr freies Volumen, da ja bei der Verbindung der Mischung mit dem Bindemittel ein gewisser Druck ausgeübt werden muss, um überhaupt eine Haftung zwischen den Teilchen zu erzielen. Bei der Aushärtung des Bindemittels wird dann dieser etwas komprimierte Zustand fixiert. Dieser komprimierte Zustand hat im fertigen Stossdämpfungselement den Vorteil, dass von vornherein eine erhöhte Kraft zur Verformung erforderlich ist, wodurch die Druckverformung im Anfangsbereich des Verformungsweges an die Verformung bei höherer Kompression angeglichen wird.
Zweckmässigerweise liegt die Korngrösse der Teilchen aus kompaktem Material zwischen etwa 2 und etwa 5 mm. Diese Grösse ist insoferne günstig, als dadurch auch bei einem Gehalt von nur etwa 75 Gew.-% derartiger Teilchen eine relativ homogene Verteilung erreicht wird. Ist die Korngrösse der Teilchen aus kompaktem Material kleiner als etwa 1 mm, so wird die Verformungscharakteristik bei sehr hohem Gew.-%-Anteil an derartigen Teilchen für manche Einsatzbereiche ungünstig beeinflusst. Über etwa 5 mm Korngrösse der Teilchen aus kompaktem Material besteht die Gefahr der Bildung inhomogener Zonen aus im wesentlichen kompaktem Material. Diese Bereiche haben dann eine gegebenenfalls unerwünschte Rückprallelastizität im Vergleich zu ihren stärker dämpfenden Nachbarbereichen.
Stossdämpfungselemente mit einer derart zusammengesetzten Mischung besitzen beispielsweise eine Druckverformungscharakteristik bei Belastung mit 1 daN/cm3 von etwa 3 bis etwa 6 daN/cm (=Bettungsziffer). Diese Werte entsprechen den Forderungen in Einsatzbereichen des Fundamentbaues od. dgl. Um eine möglichst gleichmässige Progression des Druckverformungswiderstandes im Zuge der Verformung zu erreichen, ist es zweckmässig, wenn die Korngrösse der Teilchen aus porösem Material zwischen etwa 1 und etwa 5 mm liegt. Dadurch kann im Zusammenhang mit der oben besprochenen Korngrösse der Teilchen aus kompaktem Material die Ausbildung einer homogenen Struktur begünstigt werden.
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Zweckmässigerweise verwendet man als Material für die porösen Teilchen einen flexiblen Polyurethanschaum mit einem Raumgewicht von etwa 20 bis etwa 35 kg/m3. Derartige Polyäther- oder Polyesterpolyurethanschäume werden vielfach zur Fertigung von Matratzen und Polstermöbeln verwendet, wobei ein gewisser Schnittabfall anfällt. Dieser Schnittabfall eignet sich hervorragend für die Anwendung im erfindungsgemässen Stossdämpfungselement. Ein Vorteil von Polyurethanschaum als poröses Teilchenmaterial ist auch darin zu erblicken, dass dieser ein gutes Dämpfungsvermögen für mechanische Energie besitzt, was ihn besonders geeignet für die Verwendung in der erfindungsgemässen Mischung macht.
Im Rahmen der Erfindung können jedoch auch andere poröse Materialien, wie Moosgummistücke, Polyäthylenschaumstücke oder auch andere Thermoplastweichschaumstücke verwendet werden.
Sehr wesentlich für die Funktionsfähigkeit des erfindungsgemässen Stossdämpfungselementes ist auch seine mechanische Festigkeit in bezug auf Druck- und Zugbeanspruchung. Diesbezüglich muss das Bindemittel entsprechend ausgewählt werden. Besonders geeignet für die Erfindung sind
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keit des Verbundkörpers für Einsatzzwecke in Fundamentbau, als Schotterbettlagerung von Gleiskörpern u. dgl. zu gering. Oberhalb von etwa 25 Gew.-% Bindemittelanteil wieder ist das Eigenschaftsbild des Stossdämpfungselementes schon sehr stark durch das des Bindemittels mitgeprägt, was insbesondere zu einer unerwünschten Verhärtung führen kann. Überdies sind die für diese Einsatzzwecke verwendbaren Klebstoffe auch in der Regel teurer als die verwendeten Teilchen, so dass bei erhöhtem Bindemittelanteil auch eine verminderte Wirtschaftlichkeit eintritt.
Für die Verwendung als Maschinen-, Fundament-und Gleiskörperlagerung ist es zweckmässig, wenn das spezifische Gericht der Mischung des erfindungsgemässen Stossdämpfungselementes etwa 0, 6 bis etwa 0, 8 g/cm" beträgt, so dass sie eine Verformungscharakteristik von etwa 3 bis etwa 6 daN/cm"bei einer Belastung von 1 daN/cm"aufweist. Diese physikalischen Werte sind durch entsprechende Wahl des Mischungsverhältnisses und der Kompression des porösen Teilchenanteils erreichbar und stellen vorteilhafte Eigenschaften. für diese Verwendungen dar.
Die Messung der Verformungscharakteristik (Bettungsziffer) geschieht dabei in der Weise, dass der zu messende Körper mit einer bestimmten Kraft, z. B. l daN/cm beaufschlagt wird. Es ergibt sich unter dieser Last eine bestimmte Eindrückung von z. B. 0, 1 cm. Rein rechnerisch wird aus der Eindrückung dann die sogenannte Bettungsziffer ermittelt ; im Falle des angegebenen Beispiels betrüge sie 1 daN/cmÎO, 1 cm=10 daN/cm". (Bezüglich der Definition der Bettungsziffer wird auf Lueger Lexikon der Technik, Band 10, Lexikon der Bautechnik, S. 202 verwiesen).
Für alle Einsatzbereiche, wo das erfindungsgemässe Stossdämpfungselement der Witterung ausgesetzt ist, ist es vorteilhaft, wenn die Mischung allseitig von einer Hülle aus flexiblem Material, z. B. Gummi, Kunststoff umgeben ist. Dadurch ist verhindert, dass Wasser in die Mischungshohlräume eintreten kann, wodurch die Eigenschaft des Stossdämpfungselementes verändert und sein Einsatzzweck nicht voll erreicht werden kann. Insbesondere nachteilig wäre dies im Winter, wenn eingedrungenes Wasser im Stossdämpfungselement friert. Die Notwendigkeit der allseitigen Umhüllung der Mischung kann auch deshalb gegeben sein, weil das Stossdämpfungselement in einer Umgebung verwendet wird, die das Eindringen von schädlichen Chemikalien befürchten lässt, die eine Korrosion bewirken würden.
Die Bedingung der Umhüllung des Stossdämpfungselementes gilt insbesondere für den Einsatz einer unter dem Schotterbett eines Gleiskörpers angeordneten, sogenannten Unterschottermatte, da hier unbedingt vermieden werden muss, dass die stossdämpfenden Eigenschaften durch Eindringen irgendwelcher Medien verhindert werden. Vielmehr muss die Stossdämpfungscharakteristik (Bettungsziffer) in einem engen, vorgeschriebenen Toleranzbereich liegen. Selbstverständlich kann auch so vorgegangen werden, dass die dichte Umhüllung des Stossdämpfungselementes erst an Ort und Stelle bei der Verlegung vorgenommen wird. Dies trifft insbesondere auf die zu verbindenden Ränder von aneinandergrenzenden Elementen zu, die durch geeignete Verklebung, Überlappung von Unter-bzw. Deckschichten u. dgl. entsprechend abgedichtet werden können.
Für die Verwendung des erfindungsgemässen Stossdämpfungselementes als Fundament- oder Gleiskörperlagerung ist es besonders vorteilhaft, wenn dieses platten- oder bahnförmig ausgebildet
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ist. Diese geometrische Ausführung ermöglicht das grossflächige Unterlegen von Bauwerksteilen und ermöglicht dadurch eine Stossdämpfung über die gesamte Auflagefläche und nicht nur an gewissen Auflagerpunkten. Gerade in dieser Verwendungsmöglichkeit liegt ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemässen Stossdämpfungselementes.
Eine besonders vorteilhafte Verwendungsmöglichkeit für das erfindungsgemässe Stossdämpfungselement in Platten- oder Bahnform besteht in der Verlegung unterhalb des Schotterbettes von Gleisanlagen. Diese Verlegung ist dann von Vorteil, wenn die Gleisanlagen über einen Untergrund geführt sind, der in seinen Eigenschaften bezüglich Stossabsorption sehr ungleichmässig ist oder scharfe diesbezügliche Unterschiede aufweist. Beispielsweise treten diese Unterschiede beim Austritt von Gleisanlagen aus einem Tunnel oder beim Eintritt in einen Tunnel auf, oder man findet sie auch beim Übergang von Freilandstrecken in den Bahnhofsbereich.
Diese unterschiedliche Stossabsorptionsfähigkeit verschiedener Unterbau-Untergründe tritt heutzutage insbesondere deshalb besonders zutage, da die Zuggeschwindigkeiten ständig erhöht werden, so dass eine verbesserte Stossdämpfung notwendig ist. Zweckmässigerweise werden daher in diesen Übergangsbereichen von einem Untergrund grösserer Stossdämpfungseigenschaften auf einen solchen geringerer Stossdämpfungseigenschaften die erfindungsgemässen mattenförmigen Stossdämpfungselemente über die ganze Schotterbettbreite verlegt.
Es kommen in diesem Anwendungsfall die ganzen vorstehend zitierten Vorteile eines kompressiblen flächigen Stossdämpfungselementes zum Tragen.
Ein zweckmässiges Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemässen Stossdämpfungselementes besteht beispielsweise darin, dass zuerst das Bindemittel auf die Teilchen aus kompaktem Material aufgebracht wird, danach Abmischung mit den Teilchen aus porösem Material erfolgt und schliesslich die so hergestellte Mischung derart komprimiert wird, dass das Volumen der Teilchen aus porösem Material zumindest auf die Hälfte ihres freien Volumens reduziert wird. Der Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass durch den Bindemittelauftrag auf das kompakte Granulat eine genaue Dosierung des Anteils möglich ist, wobei gleichzeitig alles aufgebrachte Bindemittel auch seine Funktion als solches behält.
Es ist somit vermieden, dass durch Auftrag von flüssigem Bindemittel auf die Teilchen aus porösem Material das Bindemittel in die Poren dieses Materials eindringt und somit ein grosser Anteil des Bindemittels nicht seine eigentliche Funktion entfalten kann, sondern nur zu einer gegebenenfalls unerwünschten Verhärtung der Klebestelle führt. Es ist dieses Verfahren auch besonders geeignet, weil es die günstige Kompression der Teilchen aus porösem Material auf einfache Weise durch Kompression der Mischung erzielt, da ja die aus kompaktem Material bestehenden Teilchen inkompressibel sind. Nach Erhärten des Bindemittels ist die Kompression des porösen Teilchenanteils fixiert.
Durch eine geeignete Wahl des Verhältnisses zwischen porösem und kompaktem Teilchenanteil in Kombination mit der durch die Kompression erreichten Dichteerhöhung, kann erfindungsgemäss die gewünschte Verformungscharakteristik (Bettungsziffer J eingestellt werden.
Abgesehen von der Tatsache, dass die Eigenschaften eines Verbundkörpers, der nur aus im wesentlichen körnigen Teilchen aus kompaktem Material besteht, nur wenig durch Komprimieren und Fixierung der erreichten Verdichtung der Kompression veränderbar ist, da ja das kompakte Material an und für sich nicht wesentlich verformbar ist, und eine Verdichtung nur durch dichtere Packung erreicht werden kann, hat ein derartiger Verbundkörper und ein zu seiner Herstellung dienendes Verfahren auch den Nachteil, dass keine Möglichkeit besteht, die gewünschte Druckverformungscharakteristik bei einer gewissen notwendigen Zug- und Druckfestigkeit des Verbundkörpers verfahrensmässig einzustellen.
Durch seine Dichte ist ja bei einem Verbundkörper, der nur aus Teilchen aus kompaktem Material besteht, die mehr oder weniger grosse mechanische Festigkeit gegeben, während durch den erfindungsgemässen Zusatz von Teilchen aus porösem Material, die kompressibel sind, bei gleicher Packungsdichte der Teilchen aus kompaktem Material im Verbundkörper verglichen zu einem solchen Verbundkörper, der nur aus solchen kompakten Teilchen besteht, durch den Zusatz der Teilchen aus porösem Material im Verfahren zu seiner Herstellung eine sehr grosse Kompression erzielbar ist, da ja das Anfangsvolumen vor der Kompression durch die Teilchen aus porösem Material gegebenenfalls um ein Vielfaches grösser ist als das des hergestellten Verbundkörpers.
Diese Kompression hat aber zur Folge, dass auch die mechanischen Eigenschaften, d. h. die Haftung zwischen den einzelnen Teilchen entsprechend gross ist und damit die
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gewünschten Zug- und Druckfestigkeiten ohne weiteres erreichbar und nach Wunsch einstellbar sind.
Im folgenden wird die Erfindung an Hand der Zeichnungen beispielhaft näher erläutert :
Es zeigt die Fig. 1 einen Querschnitt durch ein erfindungsgemässes Stossdämpfungselement, die Fig. 2 und 3 Anordnungen eines Stossdämpfungselementes im Gleiskörperbereich von Eisenbahnen.
Das in Fig. 1 dargestellte Stossdämpfungselement besitzt Teilchen --1-- aus kompaktem Material sowie Teilchen -2-- aus porösem Material. Die Teilchen --1 und 2-- sind durch ein Bindemittel --3-- verbunden. Die Teilchen --1-- bestehen beispielsweise aus Gummistücken, die z. B. durch Zerkleinerung von Altreifen, Laufflächen od. dgl. herstellbar sind. Die porösen Teilchen --2-- bestehen vorzugsweise aus Polyurethan-Weichschaumflocken. Die aus den Teilchen --1 und 2-- be- stehende Mischung ist von einer Hülle umgeben, die aus einer Ober- und Unterschicht --4, 5-sowie Seitenwänden --6-- besteht.
Die Fig. 2 zeigt eine Stossdämpfungsmatte --11-- im Einsatz unterhalb des Schotterbettes - von Gleiskörpern. Man erkennt im Querschnitt das Gleis --7-- und eine Schwelle --8--, die auf dem Schotterbett -9-- aufliegen. Unterhalb des Schotterbettes --9--, im Bereich der ganzen Gleisbreite, ist die Stossdämpfungsmatte --11-- angeordnet. In Fig. 3 ist eine schematische Aufsicht auf den Anordnungsbereich einer derartigen Stossdämpfungsmatte --11-- gezeigt. Dieser Anwendungsbereich ist z. B. der Übergangsbereich von einem Tunnel --12-- auf die Freilandstrecke.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Stossdämpfungselement aus zwei hinsichtlich der Dichte unterschiedlichen elastomeren Materialien, von denen das eine kompakt und das andere porös, z. B. geschäumt ist, dadurch gekennzeichnet, dass es aus einer durch ein Bindemittel (3) zusammengehaltenen Mischung von Teil-
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