DE102004045737B4

DE102004045737B4 - Deformierbare Pufferkonsole mit innenliegender Führung und Auslösung

Info

Publication number: DE102004045737B4
Application number: DE102004045737.9A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Est Eisenbahn-Systemtechnik De GmbH
Priority date: 2004-09-21
Filing date: 2004-09-21
Publication date: 2015-07-16
Anticipated expiration: 2024-09-22
Also published as: DE102004045737A1

Abstract

Pufferkonsole zum Befestigen von Kupplungselementen zur Übertragung von Druckkräften zwischen Schienenfahrzeugen, die bei Überlast deformationsfähig, d. h. bei einem bestimmten Kraftniveau nachgiebig ist, wobei auf die Befestigung des Kupplungselements eingeleitete Momente dadurch abgestützt werden, dass an die Befestigungsstelle anschließende, diese abstützende Strukturbauteile in Fahrzeuglängsrichtung um eine Länge mindestens von der Größenordnung der halben Abstützbreite der Befestigungsstelle befestigt sind und mit dieser zusammen eine nicht oder nur wenig deformierbare feste Einheit, den Kernbereich, bilden, wobei ferner die Pufferkonsole an ihrem fahrzeugseitigen Ende mit hoher Steifigkeit und Festigkeit in Querrichtung, jedoch nachgiebig und mit begrenzter Festigkeit in Längsrichtung innerhalb der inneren Struktur der Konsole, ohne direkte Verbindung zur Fahrzeugstruktur, derart angebunden ist, dass eine stabile Führung des Kernbereichs und damit auch der Befestigungsstelle des Kupplungselements mit hohem Widerstand gegenüber Verdrehbewegungen während der Verschiebebewegung in Längsrichtung gegeben ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungsstelle der Kupplungselemente von höherfesten Bereichen außerhalb des nicht oder wenig deformierbaren Kernbereiches umfasst werden, die sich bei beginnender Verschiebung dieses Kernbereiches zunächst nicht verformen und so feste Verankerungs- und Führungspunkte für die sich verschiebenden Bereiche bilden, und dass die außenliegenden höherfesten Bereiche mit einer bestimmten Verzögerung und einem bestimmten geometrischen Abstand von dem sich verschiebenden, in das Innere der Konsole eintauchenden Kernbereich nachgezogen werden, wodurch eine wannenförmige Geometrie noch nicht deformierter Strukturbereiche der Konsole gebildet wird, die ein den äußeren Bereichen vorauseilendes Fortschreiten der Verformung im mittleren Bereich begünstigt und einem schrägen Fortschreiten erhöhten Widerstand entgegensetzt im Sinne eines Wiegen-Effektes.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Pufferkonsole, die als Deformationselement zwischen den Seitenpuffern von Schienenfahrzeugen und deren Fahrzeugstruktur angeordnet ist. Solche Deformationselemente sind allgemein bekannt.
Stand der Technik
Generelle Anforderungen an deformierbare Pufferkonsolen
In Europa werden Schienenfahrzeuge miteinander überwiegend mit paarweise angeordneten Puffern, den so genannten Seitenpuffern, und mit einer Schraubenkupplung verbunden. Druckkräfte zwischen den Fahrzeugen werden über die Seitenpuffer, Zugkräfte über die Schraubenkupplung übertragen.
Manche Fahrzeuge werden auch mit Mittelpufferkupplungen verbunden, die sowohl Druck- als auch Zugkräfte übertragen können. Für diese Anwendungsfälle kann die nachfolgend beschriebene Pufferkonsole ebenfalls angewendet werden, um die übertragbaren Druckkräfte zu begrenzen und Kollisionsenergie aufzunehmen, da sie durch ihre einteilige Ausführung ebenso Zug- wie Druckkräfte übertragen kann. Anstelle des Puffers wird dann eine Mittelpufferkupplung montiert.
Die nachfolgende Beschreibung wird jedoch zur besseren Übersichtlichkeit allein für die Anwendung in Verbindung mit Seitenpuffern formuliert.
Anforderungen an die Seitenpuffer werden in den Regelwerken UIC 526-1 (Seitenpuffer für Lokomotiven und Güterwagen) und UIC 528 (Seitenpuffer für Reisezugwagen) definiert. Außer zentrischen Druckkräften werden auch exzentrische, schräg angreifende Lasten definiert, deren Wirkungslinie durch den Mittelpunkt des Krümmungsradius des Puffertellers führt (2, Pos. 1 und 2). Über diese normierten Lasten hinaus ist in der Praxis auch mit beliebigen Kombinationen aus exzentrisch und/oder schräg angreifenden Drucklasten auf den Seitenpuffer zu rechnen (2, Pos. 3 und 4). In diesen Fällen sind die quer zur Fahrzeugrichtung gerichteten Kraftkomponenten von der Pufferbefestigung aufzunehmen.
Seitenpuffer haben in der Regel einen reversiblen Federweg von etwa s_el = 105 mm (s. 3) und eine Energieaufnahme im Bereich 15...70 kJ/Puffer. Darüber hinausgehende Kollisionsenergien können zur Beschädigung der Fahrzeugstruktur führen. Um dies zu verhindern, werden zwischen Puffer und Fahrzeugstruktur Deformationselemente angeordnet (siehe 1), welche folgende Funktionen erfüllen:

– Übertragung der im Normalbetrieb vom Puffer aufzunehmenden Druckkräfte, einschließlich betrieblich auftretender Querkräfte, möglichst dauerfest, ohne Auslösung (s. u.) und ohne bleibende Deformation.
– Erkennen der Überschreitung einer bestimmten Auslösekraft (Auslöseschwelle, s. 3, /F). Meist werden gezielte örtliche Schwächungen der lastführenden Bereiche der Pufferkonsolen eingeführt, um ein bestimmtes Auslösekraftniveau nicht zu überschreiten, welches das während der Deformation auftretende Kraftniveau nicht wesentlich übersteigt (so genannte Triggerung, Auslösung durch gezielte Schwächung auf kontrolliertem Kraftniveau), damit die Belastung der Fahrzeugstruktur nicht zu hoch werden.
– Nachgeben unter bleibender plastischer Deformation unter einem definierten, im wesentlichen gleichbleibenden Kraftniveau (s. 3, /F) und Aufnahme einer das Energieaufnahmevermögen der Puffer deutlich übersteigenden Kollisionsenergie (siehe 3, Kraft F und Deformationsweg s_def) Die aufgenommene Kollisionsenergie kann im Kraft-Deformationsweg-Diagramm als Fläche abgelesen werden.
– Führung der Bewegung während des Nachgebens, so dass der Puffer sich im wesentlichen in Fahrzeuglängsrichtung verschieben kann und auch bei Vorhandensein von Querkraftkomponenten bestmögliche Stabilität gegenüber Verdrehen erhält.

In der Regel werden diese Deformationselemente leicht tauschbar, z. B. schraubbar, an der Fahrzeugstruktur befestigt, um schnelle Instandsetzung nach Kollisionen zu ermöglichen.
Stand der Technik, Ausführungsbeispiele
Es sind zwei prinzipiell verschiedene Ausführungsarten bekannt:

a) Deformationselemente, deren Verschiebebewegung von stabilen Strukturen im Fahrzeugrahmen in einer Bahn geführt wird.
b) Deformationselemente, die an der Fahrzeugstruktur ohne spezielle Führungseinrichtung an einer ebenen Befestigungsfläche befestigt werden und gewisse selbststabilisierende Eigenschaften bei außermittigen und/oder schräger Belastung aufweisen. Man könnte sie auch im Sinne der Elementaren Theorie des Biegebalkens als „frei kragend” bezeichnen.

Beispiele zu a):
Lok 2000 von SLM, Winterthur, eingesetzt als Baureihe Re460 der SBB, Re465 der BLS, oder Baureihen 1044 und 2070 (HERCULES) der ÖBB, Hersteller: Fa. Stabeg, Wien (siehe 4 und Dok. 7). Funktionsprinzip: Puffer ist auf einer Tragplatte befestigt, die biegesteif mit einem massiven Führungsdorn verbunden (verschweißt) ist, der in die Fahrzeugstruktur hineinragt und sich in einer gewissen Tiefe seitlich abstützen kann. Die Auslösung erfolgt in der Regel über Scherbolzen (in 4 nicht dargestellt), die Energieaufnahme durch zwischen Tragplatte und Fahrzeugstruktur angeordnete Absorptionselemente.
So genannte Crashpuffer der Fa. ALSTOM LHB, Salzgitter (s. 5 und Dok. 8). Entwickelt im Rahmen der Forschungsprojekts CESA (div. Veröffentlichungen). Hier ist das Puffergehäuse ohne Tragplatte direkt mit einem Führungsdorn verbunden. Sonstige Funktion gleich wie oben beschrieben.
Vorteile der Konstruktionen nach a):

– Gute Führung und Stabilität gegen seitliches Wegknicken, insbesondere zu Beginn des Deformationsvorgangs, sofern eine ausreichende Dimensionierung gegeben ist.
– Die Übertragung der Betriebslasten, die Auslösung, die Energieaufnahme und die Führung erfolgt werden durch separate Bauteile. Diese können einfach und nur mit geringer gegenseitiger Beeinflussung ausgelegt werden, sofern keine Verkantung und nur eine geringe Reibung der Führungsbauteile vorhanden ist.

Nachteile der Konstruktionen nach a):

– Öffnung und Führungsbahnen in der Fahrzeugstruktur erforderlich.
– Separate Bauteile für Energieaufnahme, Auslösung und Führung, somit mehrere bewegliche Teile.
– Befestigung des Dorns muss die hohen Biegebelastungen übertragen. Muss massiv ausgeführt (z. B. groß dimensionierte Schweißnähte) werden. Ebenso müssen die Führungsbahnen auf die Lasten vorbereitet sein. Falls hier Überlastungen auftreten, kann dies zu seitlichem Wegknicken führen, hierdurch wird die Verschiebebewegung blockiert, es findet keine weitere Energieaufnahme statt und das Wegknicken kann daher sehr schnell progressiv zunehmend auftreten.
– Querkräfte führen zu Reibung und eventuell zu Oberflächenbeschädigungen. Verkantungsgefahr, unerwünschte Erhöhung des Auslöse- und/oder Deformations-Kraftniveaus gegenüber zentrischer Belastung.
– Geringe Deformationswege, geringe Energieaufnahme (bei den bekannten Ausführungen)
– Hohe Herstellkosten, hohes Gewicht

Beispiele zu b):
6 zeigt das Deformationselement der BR152 (siehe auch Dok. 9, 10a und 10b). Es wurde entwickelt, um die bei der Deutschen Bahn weitverbreitete sogenannte Verschleißpufferbohle (Dok. 11) zu ersetzen. Bei diesem Vorläufer der deformierbaren Pufferkonsolen ist prinzipbedingt ein wegknickender offener U-Träger vorhanden, welcher das Biegeverhalten nach Auslösung bestimmt. Ein seitliches Wegknicken des Puffers führt jedoch zu undefinierten Anlageflächen der aneinander anliegenden Pufferteller. Dadurch werden ein unregelmäßiger, unkontrollierter Ablauf der Kollision insbesondere bei schwereren Unfällen, die Entstehung oder Vergrößerung von Querkraftkomponenten, ungünstige Schadbilder mit großem Reparaturbedarf und eventuell sogar eine Entgleisung verursacht. Diese Nachteile wurden jedoch als akzeptabel hingenommen wurde. Die erwähnte Verschleißpufferbohle wird seit den 60er Jahren verwendet und heute an etwa 3500 Lokomotiven in Deutschland eingesetzt.
Demgegenüber stellt das Deformationselement der BR152 (6) eine deutliche Verbesserung dar. Eine Konsole mit einem geschlossenen Rechteckquerschnitt beginnt bei Überlast regelmäßig zu falten, sich zu verkürzen und nimmt so große Mengen Energie auf. Durch das die Geometrie und Regelmäßigkeit dieses Faltvorgangs bestimmende Energieminimierungsprinzip weist eine solche Bauweise durch die Tendenz, dass sich jede Falte rundherum schließt, bevor eine neue Falte entsteht, eine gewisse Selbststabilisierung auf, die bis zu Winkeln von etwa 5 bis 10 Grad unter sonst idealen Randbedingungen ein regelmäßiges Voranschreiten der Faltung ohne Tendenz zum seitlichen Wegknicken gewährleistet. Bei nicht nur schräger Belastung, sondern auch überlagerter Exzentrizität (2, Pos. 3) kommt diese Konstruktion jedoch schnell an ihre Grenzen und wird durch einseitiges Falten in Form eines Biegekollaps deformieren. Ein weiterer Nachteil ist das Fehlen einer Triggerung. Daher weist dieses Element eine Kraftspitze bei Auslösung auf, das etwa um den Faktor 2–4 größer ist als das mittlere Kraftniveau bei Deformation. Eine so hohe Kraftspitze birgt das Risiko der vorzeitigen Entstehung von Schäden am Fahrzeug und kann durch die plötzliche Veränderung der Belastung auch zu Schockwellen und zur Ausbildung von unregelmäßigen Verformungsmustern führen und begünstigt so auch ein seitliches Wegknicken.
Im Falle eines seitlichen Wegknickens bleibt dennoch ein gewisses Mindestmaß an „Gutmütigkeit” erhalten:

– Die nicht deformierende Seite stellt eine Führung der Wegknickbewegung sicher.
– Die Deformation schreitet zumindest auf einer Seite der Konsole gleichmäßig weiter, und stellt so weitere Verschiebung und Energieaufnahme sicher.

7 zeigt das auf dieser Basis weiterentwickelte Deformationselement der ÖBB TAURUS-Lokomotive (Rh1016/1116) im undeformierten und deformierten Zustand. (siehe hierzu auch die Dokumente Dok. 12a, 12b und 12c). Hier wurde, wie in der DE 198 09 489 A1 beschrieben ist, eine Spezial-Bauform des Seitenpuffers, so genannte Mittelflanschpuffer, der Fa. Keystone Europe gewählt und mit einem in die Länge gezogenen Deformationselement umbaut. Eine weitere Verbesserung sind die speziell eingebrachten Knicklinien (siehe DE 198 33 250 A1 ), die eine reduzierte Auslösekraft ermöglichen (Triggerung). Das Element wird von der Fa. Keystone Europe und von Fa. SIEMENS angeboten und vertrieben (siehe Dok. 12, 13, 14).
Nachteilig ist eine in der Praxis beobachtete Anfälligkeit des Elements gegenüber Wegknicken der Puffereinheit relativ zum Deformationselement bereits in der frühen Phase der Deformation, sowohl vertikal, als auch horizontal (siehe Bericht zum Unfall zweier SIEMENS-Dispolok-Lokomotiven am Brenner, August 2003, in „Eisenbahn Österreich”). Dies ist zum einen durch die Triggerung begünstigt, zum anderen ist dieser Effekt aber vor allem auch auf die fehlende seitliche Führung des innen liegenden Pufferkörpers zurückzuführen. Dies wird durch die vorliegende Erfindung wesentlich verbessert. Ein weiterer Nachteil besteht dann, dass die Schwächung der Konsole zur Triggerung direkt im Kraftfluss für die im Normalbetrieb übertragenen Betriebslasten liegt. Dies macht die geschwächten Stellen auch anfällig für evtl. Überbeanspruchung durch dauernd wirkende Wechsellasten, d. h., wechselnde schräge und/oder exzentrische Lasten.
8 zeigt das Deformationselement der Lokomotive „PRIMA” der Fa. ALSTOM, eingesetzt bei der SNCF (siehe hierzu auch Dokumente Dok. 13 und Dok. 15). Dieses Deformationselement hat zwei Stufen der Verformung und Energieaufnahme. In der ersten Stufe verschiebt sich der Pufferkörper (8, Pos. A) in ein Führungsrohr (8, Pos. B), wobei ein innenliegendes Aluminium-Rohr zerspant wird. Eine Variante hiervon wird von der Fa. Keystone als TSB-Puffer angeboten, bei dem stattdessen ein Rohr aufgeweitet wird. Die Knickfestigkeit der ersten Deformationsstufe ist gering, da nur eine geringe Führungs-/Überdeckungslänge vorhanden bzw. aus den verfügbaren Unterlagen erkennbar ist. In der zweiten Stufe deformiert sich danach eine dem Deformationselement nach 7 vergleichbare, die Pufferkonstruktion umschließende Konsole. Nach Herstellerprospekten (Dok. 13, 14, 15) scheint die Konsole innen mehrere Kammern zu haben (dreizelliger Querschnitt). Dies verhindert einen einfachen Biegekollaps wie beim Rechteckquerschnitt infolge einer fülligen Biegemoment-Rotations-Kennlinie. Die Frontplatte ist eine sehr dicke, etwa 50...60 mm starke Platte, um Biegung vollständig zu unterdrücken (s. Abb. in Dok. 15). Dies ist ein Unterschied zur vorliegenden Erfindung. Eine Schwächung zur Triggerung ist nicht erkennbar (weiterer Unterschied). Es besteht eine Verbindung (Querbrücke) der beiden an einer Lokomotivfront angebauten Deformationselemente an ihrem vorderen Ende. Vom Grundsatz her kann diese eine gegenseitige Querführung bewerkstelligen. Von ihrer Dimensionierung her ist sie aber allenfalls fest bezüglich Quer-Zug-Belastung, nicht jedoch querbiegefest zu sein. Ihre Befestigung an den Deformationselementen ist jeweils nur mit einer Schraubenreihe ausgeführt, was praktisch keine Abstützung von Biegemomenten erlaubt.
Vorteile der Konstruktionen nach b):

– Einfache Anflanschung am Fahrzeug möglich, einfacher Austausch.
– Keine beweglichen Teile, die Aufgaben Betriebslasten übertragen, Auslösen, Energieaufnahme durch Deformation und Führung sind durch ein einteiliges Bauteil lösbar, daher kostengünstig und zuverlässig.
– Gewisse Neigung zu seitlichem Wegknicken (dabei jedoch energiereiches, „gutmütiges” Biegeverhalten)

Nachteile der Konstruktionen nach b):

– Stabilität gegen Wegknicken durch große Auskraglänge begrenzt. Zielkonflikt zwischen angestrebter großer Deformationslänge (Energieaufnahmekapazität) und Kippstabilität.
– Zielkonflikt zwischen Triggerung und Kippstabilität. Einbringung von Biegelinien in die lasttragenden Pfade des Deformationselementes erhöht die Neigung zum seitlichen oder vertikalen Wegknicken.

Aufgabe
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, den einfachen, einteiligen Aufbau der bekannten Elemente des Typs b) zu verbinden mit den guten Führungseigenschaften bei exzentrischer oder schräger Belastung der bekannten Elemente des Typs a). Damit wird eine deformierbare Pufferkonsole angestrebt, die folgende Anforderungen erfüllt:

– Befestigung an der Fahrzeugstruktur nur an einer ebenen Befestigungsfläche, damit keine aufwändigen und Bauraum beanspruchenden Einbauten fahrzeugseitig erforderlich sind und einfacher Austausch gewährleistet werden kann (Typ b; wie oben geschildert).
– Möglichst große Belastbarkeit mit Biegemomenten ohne Auslösung und ohne nachfolgendes seitliches Wegknicken („seitlich” soll hier horizontal oder vertikal oder andere Richtungen beinhalten), d. h. möglichst große ertragbare exzentrische und/oder schräge Belastung, möglichst geringes Nachgeben und Schrägstellung des Puffers unter einer solchen Belastung, im Fall von Nachgeben möglichst Entwicklung von ansteigendem Widerstand gegen fortschreitende Biegung, ohne kollapsartiges widerstandsarmes Einknicken. Möglichst füllige Biegemoment-Rotationswinkel-Kennlinie beim seitlichen Wegbiegen/-knicken.
– Einteilige Ausführung, keine beweglichen Teile. Kinematik verschiedener Strukturbestandteile kann durch Ausbildung von so genannten plastischen Gelenken (im Englischen: „plastic hinges”) erreicht werden.
– Innenliegende Führung zur Verdrehsicherung der Pufferbefestigungsstelle, jedoch ohne zusätzliche Verbindung zur Fahrzeugstruktur.
– Möglichst keine Schwächung der im normalen Betrieb lasttragenden Strukturbereiche der Konsole hinsichtlich Dauerfestigkeit.
– Ideale Lasteinleitung vom Puffer zur Konsole und von der Konsole zur fahrzeugseitigen Tragstruktur, d. h., vorzugsweise runder hinterstützter Querschnitt an der Pufferbefestigungsstelle und rechteckiger Anschlussquerschnitt am hinteren (fahrzeugseitigen) Ende.
– Möglichst große Deformationslänge, möglichst kompakte Endform und geringe verbleibende so genannte Blocklänge (Länge des nicht weiter deformierbaren Endzustands).

Lösung, Beschreibung der Skizzen
Die Lösung der Aufgabe ergibt sich aus den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Pufferkonsole ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Lösung der Aufgabe beruht auf folgenden Überlegungen (siehe 9 ff., welche einen waagerechten Schnitt durch die Konsole zeigt).
Der Puffer wird auf einer dicken, biegesteifen Frontplatte (ABCD) befestigt, die weit über die Abmessungen des Pufferflansches hinausragt, sowohl vertikal als auch horizontal. Diese ist so ausgelegt, dass im Normalbetrieb auftretende Lasten noch nicht zu einer Deformation der Platte führen. Es entsteht so eine breite Abstützbasis, um hohe über den Puffer eingeleitete Biegemomente nach hinten zum Fahrzeug abstützen zu können. Die Abstützung der Platte zum Fahrzeug hin erfolgt über einen Kasten mit rechteckiger Außenkontur, die nicht geschwächt wird. Die Auslösung (Triggerung) soll anders als bei den bekannten Elementen, nämlich innenliegend, wie nachfolgend beschrieben wird, realisiert werden, um eine hohe Sicherheit gegenüber beginnendem Wegknicken und hohe dynamische Festigkeit im Normalbetrieb zu erreichen.
Die Teile der Konsolenstruktur, die die Frontplatte einfassen und abstützen (9-14, Verbindung A zur fahrzeugseitigen Befestigung), werden im folgenden als „Konsolengehäuse” bezeichnet.
Ab einer bestimmten Längskraft soll der Puffer in die Konsole eintauchen können. Dies geschieht so, dass die Frontplatte sich durchbiegt. Diese Biegung wird konzentriert entlang zweier Linien (B, C); im Mittelbereich wird die Frontplatte hinterstützt und soll sich nicht verbiegen, damit dort die Befestigung zum Puffer nicht beschädigt wird. Die außenliegenden Auflagen der Frontplatte (A, D) bleiben erhalten und stützen sich auf dem noch undeformierten Konsolengehäuse ab. Eine Verdrehung im Bereich der Stellen A, D, verbunden mit lokaler plastischer Deformation am Anschluss zum Konsolengehäuse kann akzeptiert werden, solange die zuverlässige Abstützung von Längskräften noch gewährleistet ist.
Eine Konstruktion nach 9 hätte jedoch eine viel zu geringe Stabilität gegen seitliches Wegknicken. Durch vier Gelenke wäre sie ohne weitere Führungsmaßnahmen statisch unbestimmt.
Deshalb wird, wie in 10 dargestellt ist, der Mittenbereich der Frontplatte (B-C) mit einer hochfesten Tragstruktur hinterstützt, die deutlich höherfest als die umgebende Struktur dimensioniert wird, so dass sie wenig oder gar nicht deformiert und ihre Grundgestalt über den gesamten Deformationsprozess hinweg beibehält. Es ist vorteilhaft, den lastführenden Querschnitt des Puffers, in der Regel ein kreisrunder Querschnitt der Pufferhülse, aufzunehmen und weiterzuführen. Es ist sinnvoll, zur Abstützung von großen Momenten eine in Längsrichtung liegende Abstützlänge (10, a) in der Größenordnung der Breite der Pufferbefestigung (10, b) vorzusehen, da ansonsten die abzustützenden Kräfte zu groß werden. Diese Einheit aus Mittelbereich der Frontplatte und der sie hinterstützenden Struktur wird im Folgenden als „Kernbereich” bezeichnet. Er wird in den folgenden Darstellungen (11–14) schraffiert dargestellt.
Die Festigkeit, die die Pufferbefestigungsstelle erhält, und der Widerstand, der einer beginnenden Verschiebung entgegengesetzt wird, hängt zum einen von den Biegesteifigkeiten der Gelenklinien A, B, C, D und E, F, G, H ab. Zusätzlich kann die Festigkeit und der Widerstand erhöht werden, wenn die Linienzüge A-B-E-F und C-G-H-D als Schubfelder mit definierter Festigkeit und Verformbarkeit ausgeführt werden, also z. B. als Schubblech mit einem Ausschnitt.
Der Kernbereich erlaubt nun, gegebenenfalls über den Puffer eingeleitete Biegemomente dadurch abzustützen, dass er an seinem hinteren Ende quer geführt wird, wie in 10 schematisch dargestellt wird. Der Kernbereich sollte jedoch in Längsrichtung unter nicht zu großem Kraftaufwand verschieblich ausgebildet sein, um die Verschiebebewegung des Puffers bei fortschreitender Deformation der Konsole nicht zu behindern. Eine direkte Abstützung zur Fahrzeugseite hin, wie in 10 angedeutet und mit „?” markiert, kommt aus folgenden Gründen jedoch nicht in Betracht:

– Eine Führung mit aneinander gleitenden, separaten Teilen wäre aufwändig und teuer.
– Diese Führungsstelle, wie dargestellt, im Inneren der Konsole anzuordnen, würde eine zusätzliche Tragstruktur bedingen, diese jedoch wäre bei fortschreitender Deformation der Konsole ein Hindernis bzw. ein Widerstand für deren Bewegung.
– Diese Führungsstelle auf Längenposition der fahrzeugseitigen Befestigung auszuführen, damit sie kein Hindernis darstelle, würde eine sehr lange Baulänge des Kernbereichs (10, a) bedingen, und zu einer großen Eintauchtiefe in die Fahrzeugstruktur hinein führen. Dies ist unerwünscht, da am Fahrzeug eine möglichst einfache Befestigungsschnittstelle, mit allenfalls einer Öffnung, jedoch möglichst geringem Eintauch-Freiraum erforderlich sein soll.

Die seitliche Abstützung erfolgt vielmehr durch Anbindung des hinteren Endes des Kernbereichs seitlich an die bei beginnendem Eintauchen des Kernbereichs noch undeformierten Bereiche des Konsolengehäuses, wie dies z. B. in 11 durch die Verbindungen A-E-F und G-H-D dargestellt ist.
Damit die Verbindungen A-F und G-D (11) nicht zu unmittelbaren Zwängungen führt und eine beginnende Eintauchbewegung des Puffers in die Konsole mit begrenztem Widerstand erfolgen kann, wird, wie in 11 dargestellt, an den Stellen E und H wie in der Frontplatte auch eine linienförmig konzentrierte Biegung ermöglicht. Durch Ausbildung der plastischen Gelenke entlang der Biegelinien B, C, E, H entsteht so eine Viergelenk-Führung ähnlich einer Parallelogramm-Führung für den Kernbereich, die die in 10 dargestellte Führungsaufgabe sinngemäß erfüllt.
Die Eintauchbewegung des Puffers kann also unter dieser aufrechterhaltenen Führung beginnen. Der Widerstand wird im wesentlichen durch die Biegesteifigkeiten der plastischen Gelenke B, C, F, G und der vier Stützgelenke A, D, E, H bestimmt. Eine Verformung und damit verbundene Verkürzung des Konsolengehäuses tritt zunächst noch nicht ein. Diese soll jedoch in einer späteren Phase ebenfalls deformiert und verkürzt werden, z. B. durch regelmäßige Faltung (wie dies von den Deformationselementen Typ b) bekannt ist). Hierzu muss der große Anfangswiderstand des Konsolengehäuses (wie er typisch für Rechteckquerschnitte ist) überwunden werden. Damit das Kraftniveau nicht zu groß wird, soll der Rechteckquerschnitt durch kinematische Zwängung zur Bildung der ersten Falte angeregt werden. Dies geschieht einerseits bereits durch Mit-Biegung des Konsolengehäuseanschlusses an den Stellen A und D, wie in 13 dargestellt ist.
Eine alternative oder zusätzliche Möglichkeit besteht darin, eine Deformation des Kernbereichs am hinteren (fahrzeugseitigen) Ende in Form einer Quer-Aufweitung zuzulassen (in 12 dargestellt) und dieses Ende seitlich mit dem Konsolengehäuse zu verbinden. Auf diese Weise wird eine Längsbewegung des Kernbereiches in eine Aufspreizung des Konsolengehäuses umgesetzt.
Eine weitere alternative oder zusätzliche Möglichkeit ist der Einbau einer als Kniehebelgelenk wirkenden Verbindung zwischen den Viergelenk-Führungspunkten B-E und C-H, wie dies in 11 als Kniehebel C-J-H dargestellt ist. Bei Verschiebung des Kernbereiches verkürzt sich der Abstand zwischen B und E bzw. C und H, so dass der Punkt J dadurch nach außen gedrückt wird. Durch eine Abstützung des Punktes J auf das Konsolengehäuse kann eine Aufspreizung erzeugt und damit der Einstieg in die Bildung der ersten Falte vorgegeben werden.
Nach nunmehr überwundenem Anfangswiderstand wird anschließend ein großer Teil des Deformationsweges durch Faltung des Konsolengehäuses zurückgelegt. Hierbei bleibt das Deformationskraftniveau im wesentlichen konstant, so dass der Kernbereich und seine Abstützung (13, ABCD, AEFGHD) gleichbleibend belastet werden und seine Form dabei praktisch nicht ändert. Die sich in die Konsole hineinverschiebende Frontplatte hat durch die beginnende Verschiebung eine Wannenform erhalten, und auch die hintere Abgrenzung des Kernbereichs A-E-F-G-H-D hat sich ähnlich wannenförmig verformt. Beide Wannen liegen ineinander und stützen sich außen auf dem Konsolengehäuse ab, wodurch eine etwaige seitliche Bewegung oder Verdrehung der Frontplatte erschwert wird und eine zusätzliche Seitenstabilisierung erreicht wird. Dies könnte man als „Wiegeneffekt” bezeichnen.
Im weiteren Verlauf kann durch geometrische Behinderungen und Zwängungen, wie in 14 schematisch dargestellt ist, die Verschiebebewegung des Puffers zunehmend erschwert werden. Ein allzu großer Anstieg der Deformationskraft ist jedoch unerwünscht, und eine möglichst große Ausnutzung der Baulänge als nutzbare Deformationslänge wird angestrebt.
Die in 12 gezeigte Queraufweitung, die allerdings erst ab einem bestimmten Kraftniveau entstehen sollte, um die Führungsstabilität am Anfang entsprechend 11 nicht zu gefährden, ist auch ohne den Zweck der Triggerung vorteilhaft. Wie in 12 gezeigt, kann dann auf die Zwischengelenke E und H, die eine Längung der Verbindungen A-F und E-D ermöglichen, verzichtet werden. Wie in 14 gezeigt, kann vor allem in der fortgeschrittenen Deformationsphase durch die Queraufweitung eine weitere Verschiebemöglichkeit des Puffers bei sonst gleichen geometrischen Randbedingungen erreicht werden. Die eventuell durch Deformation des Kernbereiches auftretende Schwächung des Führungseffekts wird durch den oben beschriebenen „Wiegeneffekt” mindestens teilweise kompensiert.
Die ideale Krafteinleitung an der Stelle der Pufferbefestigung erfolgt dadurch, dass der kreisrunde Querschnitt der Pufferhülse in der Struktur des Kernbereiches fortgesetzt wird. Die ideale Kraftausleitung in die Fahrzeugstruktur wird durch die rechteckige Grundform des Konsolengehäuses erreicht.
Auf diese Weise hat die erfindungsgemäße Konsole sehr einfache, ebene Befestigungsschnittstellen und stellt geringstmögliche Ansprüche an die Festigkeiten der an sie angeschlossenen Bauteile.
Alle bisherigen Ausführungen haben die Funktionsweise in den horizontal liegenden Schnitten dargestellt. Für die Formgebung im vertikalen Schnitt empfiehlt sich, die Ausbildung der beschriebenen Fließgelenke nicht zu behindern. Daher sollte das Konsolengehäuse im entsprechenden Bereich (Projektion des Kernbereichs auf das Konsolengehäuse, 11 Linie B-F-G-C, gegebenenfalls einschließlich J) ausgenommen werden. Eine Verbindung zwischen Kernbereich und Konsolengehäuse im vertikalen Schnitt kann vorteilhaft entlang dieser Linie quer zur Deformationsrichtung ausgeführt werden, und zwar an einer Position ähnlich wie im waagerechten Schnitt für die Verbindungen K-F und G-L in 12 dargestellt ist. Diese Verbindung sorgt für eine Abstützung des Kernbereiches in vertikaler Richtung bei gleichzeitiger Verschieblichkeit in Längsrichtung, wodurch die gewünschte Führung zu Beginn der Deformation auch in vertikaler Richtung erreicht wird. In der späteren Phase der Deformation wird durch diese Anordnung ein Einstülpen des Kernbereichs in das Konsolengehäuse eintreten, welche wie gewünscht der Verschiebungsbewegung nur geringen Widerstand entgegensetzt und bis zu großen Verschiebungswegen nicht zu Klemmungen oder Zwängungen führt.
Unterscheidungsmerkmale/Abgrenzung der Erfindung vom Stand der Technik
Unterscheidung vom Deformationselement der Lok PRIMA:

– Frontplatte bei PRIMA ist extrem dick, nicht deformierbar; bei der erfindungsgemäßen Konsole entwickelt die Frontplatte plastische Gelenke, die zur Führung dienen.
– Keine innenliegende Führung, undefinierte Seitenstabilität.

Unterscheidung vom Deformationselement der Lokomotiven BR152 und TAURUS:

– Die erfindungsgemäße Konsole hat eine viel breitere Abstützbasis der Pufferbefestigungsstelle auf das Konsolengehäuse und ggf. einen komplexen Querschnitt im Bereich der beginnenden Verformung aus zwei geschlossenen Rechtecken und sie verbindender Struktur anstelle eines einzigen Rechtecks. Dadurch bessere Festigkeit bei seitlichem Wegbiegen/-knicken und fülligere Biegemoment-Rotations-Kennlinie.
– Die Triggerung erfolgt beim TAURUS-Element in den lastführenden Außenschalen des Konsolengehäuses, woraus geringere dynamische Festigkeiten und eine höhere Neigung zum Wegknicken zu Beginn der Deformation resultieren.

Vorteile der Erfindung

– Hohe ertragbare Biegemomente im Normalbetrieb durch große Abstützbreiten vertikal und horizontal der großen Frontplatte und ungeschwächten Querschnitt der kastenförmigen Grundstruktur der Konsole.
– Hohe ertragbare Biegemomente bei beginnender Deformation und während fortschreitender Deformation durch lokalen mehrzelligen Querschnitt im Bereich beginnender Verformung und durch Momentenabstützung über den hochfesten Kernbereich hinein in die später deformierenden Bereiche der Konsole.
– Große erreichbare Deformationslänge und sehr kompakte Endform, nämlich durch Eintauchen des Puffers in die Konsole hinein in Verbindung mit dem Wegklappen der Randbereiche der Frontplatte, wodurch Raum geschaffen wird für die Blocklänge der durch Faltung versagenden Seitenwände.
– Akzeptables, nicht zu hohes Auslösekraftniveau durch Triggerung, allerdings nicht wie bei bisherigen Bauformen erkauft durch Schwächung gegenüber Biegemomenten im Normalbetrieb, sondern erzeugt durch innenliegenden lokalen Deformationsbeginn.
– Einteilige Bauform und einfache Befestigung an einer ebenen Fläche. Keine beweglichen Teile, geringe Herstellkosten.

Claims

Pufferkonsole zum Befestigen von Kupplungselementen zur Übertragung von Druckkräften zwischen Schienenfahrzeugen, die bei Überlast deformationsfähig, d. h. bei einem bestimmten Kraftniveau nachgiebig ist, wobei auf die Befestigung des Kupplungselements eingeleitete Momente dadurch abgestützt werden, dass an die Befestigungsstelle anschließende, diese abstützende Strukturbauteile in Fahrzeuglängsrichtung um eine Länge mindestens von der Größenordnung der halben Abstützbreite der Befestigungsstelle befestigt sind und mit dieser zusammen eine nicht oder nur wenig deformierbare feste Einheit, den Kernbereich, bilden, wobei ferner die Pufferkonsole an ihrem fahrzeugseitigen Ende mit hoher Steifigkeit und Festigkeit in Querrichtung, jedoch nachgiebig und mit begrenzter Festigkeit in Längsrichtung innerhalb der inneren Struktur der Konsole, ohne direkte Verbindung zur Fahrzeugstruktur, derart angebunden ist, dass eine stabile Führung des Kernbereichs und damit auch der Befestigungsstelle des Kupplungselements mit hohem Widerstand gegenüber Verdrehbewegungen während der Verschiebebewegung in Längsrichtung gegeben ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungsstelle der Kupplungselemente von höherfesten Bereichen außerhalb des nicht oder wenig deformierbaren Kernbereiches umfasst werden, die sich bei beginnender Verschiebung dieses Kernbereiches zunächst nicht verformen und so feste Verankerungs- und Führungspunkte für die sich verschiebenden Bereiche bilden, und dass die außenliegenden höherfesten Bereiche mit einer bestimmten Verzögerung und einem bestimmten geometrischen Abstand von dem sich verschiebenden, in das Innere der Konsole eintauchenden Kernbereich nachgezogen werden, wodurch eine wannenförmige Geometrie noch nicht deformierter Strukturbereiche der Konsole gebildet wird, die ein den äußeren Bereichen vorauseilendes Fortschreiten der Verformung im mittleren Bereich begünstigt und einem schrägen Fortschreiten erhöhten Widerstand entgegensetzt im Sinne eines Wiegen-Effektes.
Pufferkonsole nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch Bildung von vier Gelenken eine Führungsfunktion auch während des Verschiebevorgangs unter plastischer Deformation erzeugt wird.
Pufferkonsole nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gelenke durch sogenannte plastische Gelenke, also durch linienförmig verlaufende plastische Verformungsbereiche der deformierbaren Struktur der Konsole gebildet werden.
Pufferkonsole nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass durch kinematische Zwängung aus der Längsverschiebung des Kernbereiches die außenliegenden höherfesten Bereiche gezielt geschwächt werden und so das Auslösekraftniveau der Konsole auf einen gegenüber der ungeschwächten Struktur reduzierten Wert eingestellt werden kann.
Pufferkonsole nach einem oder mehreren der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass die an die Befestigungsstelle anschließende Struktur des Kernbereichs in Form und/oder Abmessungen den tragenden Querschnitt des Puffergehäuses in Form eines Rohrstücks mit genauer Abstützung der Pufferhülse bildet.
Pufferkonsole nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die an die Befestigungsstelle anschließende Struktur des Kernbereichs eine den tragenden Querschnitt des Puffergehäuses bildende Querschnittsform zur Fahrzeugseite hin aufweist, derart, dass das Puffergehäuse als hinten offenes Rohrstück ausgebildet ist, um Deformation und Formveränderung zu gestatten.
Pufferkonsole nach einem oder mehreren der Ansprüche 1–6, dadurch gekennzeichnet, dass der den Kernbereich umfassende und/oder der zwischen Kernbereich und fahrzeugseitiger Befestigung liegende Strukturbereich in Form von regelmäßiger Faltung versagt.
Pufferkonsole nach einem oder mehreren der Ansprüche 1–6, dadurch gekennzeichnet, dass der den Kernbereich umfassende und/oder der zwischen Kernbereich und fahrzeugseitiger Befestigung liegende Strukturbereich in Form von unregelmäßiger Faltung versagt.
Pufferkonsole nach einem oder mehreren der Ansprüche 1–6, dadurch gekennzeichnet, dass der den Kernbereich umfassende und/oder der zwischen Kernbereich und fahrzeugseitiger Befestigung liegende Strukturbereich in Form von Einstülpung versagt.
Pufferkonsole nach einem oder mehreren der Ansprüche 1–6, dadurch gekennzeichnet, dass der den Kernbereich umfassende und/oder der zwischen Kernbereich und Fahrzeugseitiger Befestigung liegende Strukturbereich in einer Mischform von regelmäßiger Faltung und Stülpung versagt, und zwar überwiegend in Form einer regelmäßigen Faltung im horizontalen Schnitt und überwiegend in Form einer Einstülpung im vertikalen Schnitt oder umgekehrt im Sinne von unterschiedlichen Versagensmustern in unterschiedlichen Ebenen.
Pufferkonsole nach einem oder mehreren der Ansprüche 1–10, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur der Konsole an der Befestigungsstelle des Puffers deren lasttragenden Gehäusequerschnitt bildet und an der fahrzeugseitigen Befestigungsstelle ebenfalls den lasttragenden Querschnitt.
Pufferkonsole nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch einen in Fahrzeuglängsrichtung veränderlichem oder nicht veränderlichem Rechteckquerschnitt der Hauptstruktur.
Pufferkonsole nach einem der Ansprüche 1–12, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungsstelle des Puffers als im Verhältnis zur restlichen Struktur dickwandige Frontplatte ausgeführt ist.
Pufferkonsole nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Frontplatte in ihren Abmessungen deutlich über die Befestigungsstelle des Puffers hinausgeht.
Pufferkonsole nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Frontplatte bei Deformation zwei oder vier gerade verlaufende Biegelinien unter Bildung plastischer Gelenke entwickelt.
Pufferkonsole nach einem oder mehreren der Ansprüche 1–15, dadurch gekennzeichnet, dass ein in Fahrzeuglängsrichtung veränderlicher oder nicht veränderlicher Rechteckquerschnitt der Hauptstruktur vorgesehen ist, dass die Befestigungsstelle des Puffers als im Verhältnis zur restlichen Struktur dickwandigen Frontplatte ausgeführt ist und dass das Gehäuse der Konsole den Gesamteindruck einer Kasten- oder Blockform erzeugt.
Pufferkonsole nach einem oder mehreren der Ansprüche 1–16, dadurch gekennzeichnet, dass die Verformung der Konsole im vorderen Bereich nahe der Pufferbefestigungsstelle beginnt.
Pufferkonsole nach einem oder mehreren der Ansprüche 1–17, dadurch gekennzeichnet, dass die Konsole im Bereich der beginnenden Verformung einen aus zwei oder mehreren geschlossen Kammern bestehenden Querschnitt aufweist.