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Die Erfindung betrifft eine Spannklemme (Spannelement) für die Befestigung von Schienen, mit einem U-förmigen Mittelabschnitt und auslaufenden Schenkeln, welche über einen Torsionsabschnitt in einen gekrümmt verlaufenden Haltearm übergehen.
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Gattungsgemäße Spannklemmen werden zur Befestigen von Eisenbahnschienen auf Betonuntergrund oder Schwellen aus Holz-, Stahl- oder Beton benötigt. Mit Hilfe der Spannklemmen wird hierbei die Eisenbahnschiene unter Aufbringung einer entsprechenden Spannkraft (im Weiteren Niederhaltekraft genannt) auf den Bahnschwellen dauernd kraftschlüssig gehalten. Derartige Schienenbefestigungen sind seit vielen Jahrzehnten bekannt, wobei vorzugsweise für die Spannklemme W-förmig gebogene federnde Drahtelemente zum Einsatz kommen. Zur Befestigung der Spannkleme weist diese einen U-förmigen Mittelabschnitt mit zwei Schenkeln auf, welcher zur Aufnahme einer Spannschraube (z. B. Schwellenschraube, Hakenschraube, Ankerbolzen, Hammerkopfschraube etc.) vorgesehen ist. Die Schenkel des U-förmigen Mittelabschnitts weisen eine vorzugsweise nahezu rechtwinklige Krümmung und einen sich anschließenden Torsionsabschnitt auf. Nach dem Torsionsabschnitt folgt ein bogenförmger Verlauf mit gerade auslaufenden Schenkelenden, die als Haltearm auf dem Schienenfuß zu liegen kommen. Die freien Enden der Haltearme drücken die Schiene beziehungsweise den Schienenfuß gegen die Bahnschwelle. Um eine ausreichende Niederhaltekraft zu erzeugen wird der U-förmige Mittelabschnitt mit Hilfe einer Spannschraube oder dgl. verspannt, wobei die Spannschraube beispielsweise in einen Dübel, welcher unmittelbar in einer Betonschwelle eingegossen ist, eingeschraubt wird. Je nach Ausführungsform der Spannklemme kann diese eine Niederhaltekraft von im Regelfall 5,5 bis 14 kN erzielen, wobei gleichzeitig infolge der Belastung des Schienenstützpunktes durch darüber fahrende Schienenfahrzeuge ein dauerfester dynamischer Federweg von min. 1,4 mm um den Verspannungspunkt realisiert werden kann.
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Zur Einstellung der Niederhaltekraft werden die Spannklemmen mit einer Spannschraube vorgespannt, die z. B. in einen Dübel eingeschraubt wird, der z. B. bereits in der Betonschwelle einbetoniert wurde. Die Niederhaltekraft der Spannklemmen verringert sich entsprechend der vorgegebenen Federkennlinie der verwendeten Spannklemme über die Einfederung. Die am Markt erhältlichen Spannklemmen weisen hierbei einen relativ steilen Anstieg der Federkennlinie auf, und zwar bis zu einem vorgegebenen Wert, der immer dann erreicht wird, wenn zu den bereits aufliegenden Haltearmen auf dem Schienenfuß die Mittelschleife der Spannklemme zur Anlage auf dem Führungsteil (z. B. Winkelführungsplatte Wfp) der Schiene kommt. Zum Zeitpunkt des Kippens der Schiene, bei Überlastung durch seitliche Kräfte z. B. in engen Kurven, steigt die auf den Schienenfuß einwirkende Kraft infolge der Kippschutzfunktion überproportional an.
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Soweit Bahnschwellen im Schotter verlegt werden, wird die Belastung durch den Schienenverkehr größtenteils zu einer Einfederung der Bahnschwelle innerhalb des Schotters führen, wenn unter dem Schienenfuß eine harte Zwischenlage (Zw), mit einer Steifigkeit von mehr als 400 N/mm, Verwendung findet. Kommt eine elastische Zwischenlage zum Einsatz, so wird diese einen ebenfalls messbaren Anteil an der Gesamteinsenkung des Schienenstützpunktes haben. Soweit jedoch ein vorbetonierter Fahrweg verwendet wird (Feste Fahrbahn FF) entfällt zwangsläufig der Anteil des Schotters an der Gesamteinfederung. Aus diesem Grunde werden im Bereich der Schienenstützpunkte hochelastische Unterlagsplatten verwendet, welche eine Einfederung des Schienenkörpers im Bereich des Schienenstützpunktes bei Belastung ermöglichen. Sobald sich die Höhenlage des Schienenfusses – relativ zur verspannten Spannklemme – ändert, führt dies gemäß der Federkennliniencharakteristik der Spannklemme zu einer Veränderung der Niederhaltekraft. Die Entlastung der Spannklemme durch die Einfederung der Schiene führt somit z. B. zu einer geringeren Niederhaltekraft. Dieses Problem tritt besonders bei einem Gleiskörper vom Typ FF auf, wo hochelastische Zwischenplatten (Zwp) Verwendung finden.
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Im Bereich der FF besteht eine weitere grundlegende Thematik die sich aus fertigungstechnischen Gegebenheiten und Anforderungen an die Fahrdynamik ergibt. Um ein einheitliches Höhenniveau sicherzustellen ist es beispielsweise erforderlich, dass die Lage der vorgefertigten Betonschwellen zuvor ausgemessen und ausniveliert werden. Aufgrund fertigungstechnischer Toleranzen der FF führt dies regelmäßig zu Abweichungen bis zu mehreren Millimetern, die z. B. durch entsprechend dicke Zwischenlagen (Zw) ausgeglichen werden müssen. Die Ausgleichsmöglichkeit bewegt sich in diesem Fall teilweise in Größen von mehreren Millimetern (sowohl in den Plus- als auch in den Minusbereich) um die Nenneinbaulage. Dies führt dann, bei am Markt erhältlichen Spannklemmen, bei Ausnutzung der Extremwerte, direkt zu einer starken Veränderung der Niederhaltekraft.
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Beide Effekte, dass heißt dynamische Einsenkung aus dem Fahrbetrieb und statische Veränderung der Schienenhöhenlage führen entweder zu einer temporären Verschiebung des Verspannungsverhältnisses oder zur grundlegenden Verschiebung des Verspannungspunktes auf der Federkennlinie der entsprechenden Spannklemme und somit zu einer negativen Abweichung zur technischen Nennauslegung.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die auftretenden Schwankungen der Niederhaltekraft, infolge einer Verschiebung der Höhenlage des Verspannungspunktes (Kraft-Federwegdiagramm) der Schiene im Schienenstützpunkt so gering wie möglich zu halten.
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Zur Lösung der Aufgabe ist vorgesehen, dass das Verhältnis von krümmungsfreier Torsionsstrecke KTS zum Hebelarm HA die Bedingung 0,05 ≤ KTS/HA ≤ 0,6 erfüllt. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Wenn das definierte Verhältnis von krümmungsfreier Torsionsstrecke KTS zum Hebelarm HA eingehalten wird, kann wahlweise in Abhängigkeit von KTS oder HA entsprechend der baulichen Notwendigkeiten in ausreichender Form gewährleistet werden, dass die Spannklemme eine relativ flach ansteigende Federkennlinie aufweist, sodass die Spannkraftveränderung pro Millimeter Federweg gegenüber herkömmlichen Spannklemmen deutlich verringert ist. Die Länge der krümmungsfreien Torsionsstrecke KTS ist hierbei an dem verwendeten Hebelarm HA insoweit angepasst, dass im Rahmen der aufgezeigten Grenzen zwischen 0,05 und 0,6 ein optimaler Kennlinienverlauf sichergestellt ist. Hierbei kommt es insbesondere darauf an, dass die Kennlinie äußerst flach verläuft und z. B. aufgrund einer niedrigeren Höhenlage des Schienenfusses – relativ zur verspannten Spannklemme – die Reduzierung der Niederhaltekraft wesentlich geringer ausfällt, als bei herkömmlichen Spannklemmen oder eine unnötige Erhöhung der Vorspannung auf die hochelastische Lagerung vermieden wird, wenn die Schiene im Rahmen von Höhenkorrekturen angehoben werden muss. Hierdurch wird der wesentliche Vorteil erzielt, dass erstens das Verhalten des Schienenstützpunktes geringeren Schwankungen unterliegt und zweitens vor allem der resultierende Durchschubwiderstand deutlich konstanter im Bereich der Nennauslegung gehalten werden kann.
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Zur Erzielung des erfindungsgemäßen Verhältnisses zwischen krümmungsfreier Torsionsstrecke KTS zum Hebelarm HA werden hierbei vorzugsweise Spannklemmen mit einer Federkonstante c ≤ 0,6 kN/mm eingesetzt. Die Federkonstante ergibt sich hierbei unmittelbar aus der erzielbaren Kraftwirkung und der Wegstrecke c = F/s.
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Unter einer krümmungsfreien Torsionsstrecke KTS wird aufgrund der vorhandenen Fertigungstoleranzen ein maximaler Radius der Torsionsstrecke mit 100 < R ≤ ∞, vorzugsweise 500 < R ≤ ∞ definiert. Grundsätzlich ist beim Fertigungsprozesses nicht gänzlich auszuschließen, dass eine geringe Krümmung des Torsionsabschnittes vorliegt, welche mit der vorgenannten Bedingung in derart berücksichtigt wird, das von einer äußerst geringen Krümmung des Torsionsabschnittes ausgegangen wird.
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In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Spannklemme eine krümmungsfreie Torsionsstrecke von 15 bis 40 mm, vorzugsweise 20 bis 30 mm, aufweist. Durch die gewählte Länge der Torsionsstrecke wird hierbei maßgeblicher Einfluss auf die Kennlinie der Spannklemme genommen, wobei diese Torsionsstrecke wiederum im Verhältnis zum Hebelarm steht, welcher 50 bis 200 mm, vorzugsweise 100 bis 120 mm, betragen kann.
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Die erfindungsgemäße Spannklemme zeichnen sich dadurch aus, dass im Federkennliniendiagramm ein flacher Anstieg vorliegt, wodurch der Spannkraftverlust pro Millimeter Federweg deutlich verringert wird.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Haltearme soweit gebogen sind, dass die freien Enden der Haltearme in der Draufsicht gesehen gegen den Mittelabschnitt gerichtet sind. Die auslaufenden Haltearme nehmen hierbei eine Position ein, welche annähernd parallel zum Verlauf des Schienenkörpers ausgerichtet ist, wodurch die Haltearme mit maximaler Überdeckung auf dem Schienenfuß der Schiene aufgelegt werden können.
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Damit die Spannklemme über eine ausreichende Federkraft verfügt, unabhängig des Kennlinienverlaufes ist vorgesehen, dass im ungespannten Zustand der Spannklemme der Mittelabschnitt in einer ersten Ebene und die Haltearme sich zu dieser ersten Ebene in einer zweiten, unter einem Winkel verlaufenden Ebene befinden. Hierdurch wird sichergestellt, dass die Haltearme auch bei einem Einfedern des Schienenkörpers in jeder Position auf dem Schienenfuß aufliegen. Wesentlicher Gedanke der vorliegenden Erfindung ist der, dass die Kennlinie äußerst flach verläuft und z. B. aufgrund einer niedrigeren Höhenlage des Schienenfusses – relativ zur verspannten Spannklemme – die Reduzierung der Niederhaltekraft wesentlich geringer ausfällt, als bei herkömmlichen Spannklemmen oder eine unnötige Erhöhung der Vorspannung auf die hochelastische Lagerung vermieden wird, wenn die Schiene im Rahmen von Höhenkorrekturen angehoben werden muss. Hierdurch wird der wesentliche Vorteil erzielt, dass erstens das Verhalten des Schienenstützpunktes geringeren Schwankungen unterliegt und zweitens vor allem der resultierende Durchschubwiderstand deutlich konstanter im Bereich der Nennauslegung gehalten werden kann.
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Die Erfindung wird im Weiteren anhand der Figuren nochmals erläutert.
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Es zeigt
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1 in einer geschnittenen Ansicht die Anordnung einer Spannklemme zur Befestigung eines Schienenkörpers,
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2 drei Ansichten einer erfindungsgemäßen Spannklemme und
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3 den Kennlinienverlauf einer herkömmlichen Spannklemme und der erfindungsgemäßen Spannklemme.
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1 zeigt in einer geschnittenen Ansicht eine Schiene 1, welche mit Hilfe einer Spannklemme 2 und einer Spannschraube 3 auf einem Untergrund 4, welcher beispielsweise aus Beton bestehen kann, befestigt ist. Die Spannschraube 3 wird zur Erzielung einer Vorspannung der Spannklemme 2 beispielsweise in einen Dübel 5 eingedreht, welcher unmittelbar in dem Untergrund 4 verankert ist, beispielsweise in den Beton eingegossen wurde. Die Spannschraube 3 liegt hierbei im U-förmigen Mittelteil der Spannklemme 2 ein und drückt diesen Bereich beim Anziehen nach unten, sodass die entstehende Spannkraft (Niederhaltekraft) auf die Haltearme 6 übertragen wird. Die Haltearme 6 liegen hierbei unmittelbar auf dem Schienenfuß 7 auf, sodass die Schiene 1 nach unten auf den Untergrund 4 gedrückt wird. Unterhalb der Schiene 1 befindet sich beispielsweise ein Elastomer 11. Infolge einer Belastung durch den Schienenverkehr besteht somit die Möglichkeit, dass die Schiene 1 unter Verwendung des Elastomeres 11 einfedern kann und in die ursprüngliche Position zurückgedrückt wird.
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2 zeigt in drei Ansichten eine erfindungsgemäße Ausführungsform einer Spannklemme 2, welche einen U-förmig gebogenen Mittelabschnitt 20 aufweist, wobei die beiden Schenkel 21, 22 des Mittelabschnittes 20 einen vordefinierten Abstand zueinander aufweisen, und zwar so, dass die Spannschraube gemäß 1 zwischen den Schenkeln 21, 22 platziert werden kann. Die Schenkel 21, 22 gehen im Weiteren über eine Krümmung 23, 24 in einen Torsionsabschnitt A über, welcher annähernd krümmungsfrei gestaltet ist. Im Anschluss an den Torsionsabschnitt A schließt sich ein gekrümmter Abschnitt 25, 26 an, welcher in der gezeigten Ausführungsform einem Halbkreis entspricht oder aus zwei Viertelkreisen mit einem krümmungsfreien Torsionszwischenabschnitt bestehen kann, während die freien Enden, welche als Haltearme 27, 28 ausgebildet sind, gradlinig auslaufen und unmittelbar zur Anlage auf dem Schienenfuß 7 vorgesehen sind. Die Spannklemme 2 wird einstückig aus einem beispielsweise runden Federstahl hergestellt, welcher die notwendige Elastizität unter Erzeugung einer hohen Niederhaltekraft aufbringt. Die Niederhaltekraft auf den Schienenfuß wird dadurch erreicht, dass die Spannschraube 3 gemäß 1 verspannt wird und somit der U-förmige Mittelabschnitt 20 nach unten gedrückt wird, wodurch wiederum infolge einer einseitigen Abstützung der Spannklemme 2 unterhalb des Torsionsabschnittes A die Verspannkraft unmittelbar auf die Haltearme 27, 28 übertragen wird.
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Erfindungsgemäß ist die Spannklemme 2 in der Art aufgebaut, dass die Torsionsstrecke A und der Hebelarm B die Bedingung 0,05 ≤ KTS/HA ≤ 0,6 erfüllt, wobei der Hebelarm durch den Abstand der neutralen Faser des Torsionsabschnittes A und des Haltearmes 27, 28 vorgegeben ist. Durch die Einhaltung des oberen und unteren Grenzwertes 0,05 bis 0,6 wird hierbei erreicht, dass der Federkennlinienverlauf gemäß 3 sehr flach ansteigend ausgebildet ist und somit ein möglicher Niederhaltekraftverlust pro Millimeter Federweg so gering wie möglich gehalten wird.
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Die beiden weiteren Ansichten zeigen die erfindungsgemäß Spannklemme 2 in einer Seitenansicht mit Blick auf den Mittelabschnitt 20.
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3 zeigt die Federkennlinie 30 einer Spannklemme nach dem Stand der Technik und die Federkennlinie 31 der neu entwickelten Spannklemme 2. Aus dem Federkennliniendiagram ist die Spannkraft im Verhältnis zum Federweg zu entnehmen, wobei der Federweg in Millimeter und die Spannkraft in kN angegeben ist. Die Kennlinie 30 zeigt einen typischen Verlauf einer Spannklemme mit einem relativ steilen Anstieg bis zu einem Grenzwert (beginnender Kippschutz), welcher durch die Anlage des Mittelabschnittes der Spannklemme auf dem Schienenfuß zu einem überproportionalen Anstieg der Spannkraft führt. Entscheidend ist jedoch der lineare Anstieg der Spannkraft unter Berücksichtigung des auftretenden Federweges. Durch die Steigung ist bei einer Spannklemme nach dem Stand der Technik bereits bei einer geringen Änderung des Federweges eine hohe Spannkraftveränderung zu verzeichnen, während bei der Federkennlinie der erfindungsgemäßen Spannklemme 2 mit einem geringeren Anstieg der Federkennlinie unter Berücksichtigung einer identischen Federwegänderung eine deutlich reduzierte Spannkraftveränderung eintritt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Schiene
- 2
- Spannklemme
- 3
- Spannschraube
- 4
- Untergrund
- 5
- Dübel
- 6
- Haltearm
- 7
- Schienenfuß
- 8
- Sandwichaufbau
- 11
- Elastomer
- 20
- Mittelabschnitt
- 21
- Schenkel
- 22
- Schenkel
- 23
- Krümmung
- 24
- Krümmung
- 25
- Abschnitt
- 26
- Abschnitt
- 27
- Haltearm
- 28
- Haltearm
- 30
- Federkennlinie
- 31
- Federkennlinie
- A
- Torsionsabschnitt
- B
- Hebelarm
