DE102016111064A1

DE102016111064A1 - Elastisches Element für einen Befestigungspunkt für eine Schiene für Schienenfahrzeuge und Befestigungspunkt

Info

Publication number: DE102016111064A1
Application number: DE102016111064.7A
Authority: DE
Inventors: Torsten Eckert
Original assignee: Vossloh Werke GmbH
Current assignee: Vossloh Werke GmbH
Priority date: 2016-06-16
Filing date: 2016-06-16
Publication date: 2017-12-21
Also published as: CN109312544B; WO2017216231A1; EP3472387B1; EP3472387A1; CN109312544A; EP3472387C0; DE202017104578U1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein elastisches Element, das dazu vorgesehen ist, in einem Befestigungspunkt (SB) für eine Schiene (S) für Schienenfahrzeuge zwischen der Schiene (S) und dem sie tragenden Untergrund (U) angeordnet zu werden, wobei das elastische Element (1) eine dem Fuß (SF) der Schiene (S) zugeordnete Aufstandfläche (2) und eine dem Untergrund (U) zugeordnete Auflagefläche (3) besitzt und wobei das elastische Element (1) einen Grundkörper (4), der aus einem Material besteht, das sich mindestens in einer gegen die Aufstandfläche (2) gerichteten Belastungsrichtung elastisch nachgiebig verhält, sowie mindestens ein Dämpfungselement (D1–D4) umfasst, das in das elastische Material des Grundkörpers (4) eingebettet ist, sowie einen Befestigungspunkt. Das erfindungsgemäße elastische Element für einen Schienenbefestigungspunkt weist eine hohe statische und dynamische Elastizität auf, ohne dass es dadurch zu einem signifikanten Anstieg des primären Luftschalls kommt. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass das Dämpfungselement (D1–D4) mindestens einen der Aufstandfläche (2) zugeordneten Kontaktabschnitt (14, 19, 23, 25), der bei unbelastetem elastischem Element (1) bündig zur Aufstandsfläche (2) des elastischen Elements (1) ausgerichtet ist oder über die Aufstandfläche (2) des elastischen Elements (1) hinaus ragt, und mindestens zwei der Auflagefläche des elastischen Elements zugeordnete, zueinander beabstandete Stützabschnitte (10, 13, 18, 20, 21, 26) aufweist, und dass der Kontaktabschnitt (14, 19, 23, 25) in dem zwischen den Stützabschnitten (10, 13, 18, 20, 21, 26) vom Dämpfungselement (D1–D4) überspannten Bereich (15) angeordnet und in Belastungsrichtung (V) elastisch nachgiebig nach Art einer Brücke getragen ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein elastisches Element, das dazu vorgesehen ist, in einem Befestigungspunkt für eine Schiene für Schienenfahrzeuge zwischen der Schiene und dem sie tragenden Untergrund angeordnet zu werden, wobei das elastische Element eine dem Fuß der Schiene zugeordnete Aufstandfläche und eine dem Untergrund zugeordnete Auflagefläche besitzt und wobei das elastische Element einen Grundkörper, der aus einem Material besteht, das sich mindestens in einer gegen die Aufstandfläche gerichteten Belastungsrichtung elastisch nachgiebig verhält, sowie mindestens ein Dämpfungselement umfasst, das in das elastische Material des Grundkörpers eingebettet ist.
Des Weiteren betrifft die Erfindung einen Befestigungspunkt, in dem eine Schiene auf einem Untergrund befestigt ist.
Bei den erfindungsgemäßen elastischen Elementen handelt es sich insbesondere um so genannte ”Zwischenlagen” oder ”Zwischenplatten”, deren Breite und Länge sehr viel größer sind als ihre Dicke.
Elastische Elemente der hier in Rede stehenden Art werden in Schienenlagerungen typischerweise zwischen die Schiene und dem Untergrund angeordnet, der die Schiene trägt. Dabei können ober- oder unterhalb des jeweiligen elastischen Elements weitere plattenartige Bauteile vorgesehen sein, um beispielsweise eine gleichförmige Verteilung der Belastung auf das elastische Element, eine Minimierung von abrasivem Verschleiß oder einen Höhenausgleich zu bewerkstelligen.
Der Zweck des jeweiligen elastischen Elements besteht darin, dass sich die Schiene im Befestigungspunkt beim Überfahren durch ein Schienenfahrzeug in definierter Weise absenken kann. Dabei senkt sich die Schiene nicht nur im jeweils unmittelbar belasteten Befestigungspunkt ab, sondern aufgrund der Steifigkeit der Schiene auch im Bereich der nächstbenachbarten Befestigungspunkte. Auf diese Weise wird die Einsenkung der Schiene bei Überfahrt eines Zuges über eine größere Zahl von Schwellen verteilt mit der Folge, dass eine gleichmäßige Lastverteilung erzielt wird. Lastspitzen, die zur Zerstörung eines einzelnen Befestigungspunkts führen könnten, werden so vermieden. Der Gleisoberbau wird somit im Vergleich zu unelastischen Systemen geschont und eine deutliche Reduzierung des Verschleißes erzielt.
Eine weitere wichtige Wirkung der mit Hilfe von elastischen Elementen der hier in Rede stehenden Art bewerkstelligten elastischen Lagerung einer Schiene ist die Reduzierung des Eintrags von Vibrationen in den Boden, was sich unter anderem in einer Verminderung des sekundären Luftschalls bemerkbar macht.
Sowohl aus praktischen Untersuchungen als auch aus theoretischen Herleitungen (Vincent, Bouvet, Thompson, Gautier; Journal of Sound and Vibration 1996.) ist allerdings auch bekannt, dass eine Vergrößerung der elastischen Nachgiebigkeit in Schwerkraftrichtung, d. h. eine Absenkung der vertikalen Steifigkeit, der elastischen Elemente, insbesondere die Verringerung ihrer dynamischen Steifigkeit, zu einer besseren Entkopplung der Schiene von der Schwelle und daher zu einem Anstieg des direkten, von der Schiene abgestrahlten primären Luftschalls führen kann.
Zwar zeigen insbesondere die angesprochenen Untersuchungen, dass sich dieser Anstieg durch den Einsatz eines stark dämpfend ausgeführten Materials reduzieren lässt. In der Praxis weisen elastische Materialien mit stark dämpfenden Eigenschaften in der Regel jedoch eine starke dynamische Versteifung auf. Dies führt dazu, dass sich hohe Primärschall-Emissionen selbst bei Einstellung einer geringen dynamischen Steifigkeit ergeben, die zum Beispiel durch eine geeignete Auslegung der Geometrie des elastischen Elements erreicht werden kann. Demzufolge müssen für die positiven Effekte der zumindest in Schwerkraftrichtung elastischen Abstützung einer Schiene, wie Schwingungsisolation und Oberbauschonung, Nachteile bei der Schallemission in Kauf genommen werden.
Es sind verschiedene Vorschläge zur Optimierung der Gebrauchseigenschaften von elastischen Zwischenlagen oder -platten für einen Schienenbefestigungspunkt bekannt, die jeweils auf einer Kombinationen von Weichkomponenten und Hartkomponenten beruhen. Bei diesen Vorschlägen sind jeweils ein oder mehrere Hartkomponenten-Teile als Einleger in eine elastische Weichkomponente ( WO 2005/010277 A1 ) eingebunden oder die Weichkomponente ist derart um die Hartkomponente gelegt, dass sie über die Hartkomponente in vertikaler Richtung hinausragt ( DE 20 2005 008 535 A1 , WO 2009/094686 A1 ). Durch einen solchen Aufbau kann die Einsenkung des elastischen Elements so begrenzt werden, dass sie sicher unterhalb eines für den Betrieb kritischen Grenzwerts bleibt. Darüber hinaus verhindert die jeweils vorgesehene Hartkomponente einen übermäßigen Verschleiß der Weichkomponente.
Des Weiteren sind elastische Elemente für den Schienenoberbau bekannt, die aus zwei aufeinander liegenden Lagen von Materialien unterschiedlicher Steifigkeit gebildet sind. Die Lagen können durch eine geeignete Geometrie miteinander verzahnt sein ( CN 202214663 U ). Bei Belastung wird die elastischere Materiallage stärker komprimiert als die steifere Materiallage, so dass die Einsenkung der Schiene insgesamt auf ein bestimmtes Höchstmaß begrenzt ist.
Weiterhin bekannt sind mehrschichtige plattenförmige elastische Elemente für Schienenbefestigungspunkte mit mindestens einer Schicht, die mit dämpfenden Magnetpartikeln gefüllt ist, um eine erhöhte Schwingungsdämpfung zu bewirken ( CN 201972059 U ). Hierbei wird die dämpfende Wirkung eingeschränkt, wenn die nicht bedämpfte Schicht eine deutlich höhere Elastizität aufweist als die dämpfende, da sie sich deutlich stärker verformen könnte als die dämpfend gefüllte Komponente.
Vor dem Hintergrund des Standes der Technik bestand die Aufgabe der Erfindung darin, ein elastisches Element für einen Schienenbefestigungspunkt zu schaffen, das eine hohe statische und dynamische Elastizität aufweist, ohne dass es dadurch zu einem signifikanten Anstieg des primären Luftschalls kommt. Darüber hinaus sollte ein entsprechend gestalteter Befestigungspunkt für eine Schiene angegeben werden.
In Bezug auf das elastische Element hat die Erfindung diese Aufgabe dadurch gelöst, dass ein solches Element gemäß Anspruch 1 ausgebildet ist.
Ein die voranstehend genannte Aufgabe erfindungsgemäß lösender Befestigungspunkt, in dem eine Schiene auf einem Untergrund befestigt ist, ist dementsprechend dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Schiene und dem Untergrund ein erfindungsgemäß ausgebildetes elastisches Element angeordnet ist.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben und werden nachfolgend wie der allgemeine Erfindungsgedanke im Einzelnen erläutert.
In Übereinstimmung mit dem eingangs erläuterten Stand der Technik besitzt ein erfindungsgemäßes elastisches Element, das dazu vorgesehen ist, in einem Befestigungspunkt für eine Schiene für Schienenfahrzeuge zwischen der Schiene und dem sie tragenden Untergrund angeordnet zu werden, demnach eine dem Fuß der Schiene zugeordnete Aufstandfläche und eine dem Untergrund zugeordnete Auflagefläche und umfasst einen Grundkörper, der aus einem Material besteht, das sich mindestens in einer gegen die Aufstandfläche gerichteten Belastungsrichtung elastisch nachgiebig verhält, sowie mindestens ein Dämpfungselement, das in das elastische Material des Grundkörpers eingebettet ist.
Erfindungsgemäß weist nun das Dämpfungselement mindestens einen der Aufstandfläche zugeordneten Kontaktabschnitt, der bei unbelastetem elastischem Element bündig zur Aufstandfläche des elastischen Elements ausgerichtet ist oder über die Aufstandfläche des elastischen Elements hinaus ragt,, und mindestens zwei der Auflagefläche des elastischen Elements zugeordnete, zueinander beabstandete Stützabschnitte auf, wobei der Kontaktabschnitt des Dämpfungselements im zwischen den Stützabschnitten vom Dämpfungselement überspannten Bereich angeordnet und in Belastungsrichtung elastisch nachgiebig nach Art einer Brücke getragen ist.
Ein erfindungsgemäßes elastisches Element ist somit derart eingerichtet, dass im Gebrauch ein direkter Kontakt zwischen dem Dämpfungselement und der im jeweiligen Schienenbefestigungspunkt befestigten Schiene bestehen kann. Dies wird dadurch erreicht, dass der Kontaktabschnitt des Dämpfungselements bei einem erfindungsgemäßen elastischen Element im unbelasteten, nicht verbauten Zustand zumindest mit einem Teil seiner Höhe über die Aufstandfläche hinausragt. ”Hinausragen” heißt dabei, dass der Kontaktabschnitt über einen Teil seiner Höhe, d. h. mit seinem Kopfbereich, über die Aufstandfläche des Dämpfungselements hinaussteht, wogegen sein den Stützabschnitten des Dämpfungselements zugeordneter Fußbereich vom Material des Grundkörpers umfasst ist.
Wird bei der Montage die Schiene auf die Aufstandfläche des elastischen Elements gesetzt, so kommt es zuerst zum Kontakt zwischen der Unterseite des Schienenfußes und der zugeordneten Stirnfläche des Kontaktabschnitts. Aufgrund der elastisch nachgiebigen Abstützung des Kontaktabschnitts senkt sich der Kontaktabschnitt dann unter elastischer Verformung des Dämpfungsabschnitts ab, bis der Schienenfuß auf der Aufstandfläche des elastischen Elements sitzt.
Nach der Montage in einem Schienenbefestigungspunkt besteht damit bei einem erfindungsgemäßen elastischen Element immer ein direkter Kontakt zwischen dem dämpfenden Material, dem erfindungsgemäß gestalteten Dämpfungselement, und der Schiene, wobei das Gewicht der Schiene gemeinsam von dem Grundkörper und dem mindestens einen Dämpfungselement des elastischen Elements aufgenommen wird. Auf diese Weise ist die Schiene einerseits sicher auf dem elastischen Element gestützt. Anderseits werden bei einer Überfahrt des jeweiligen Befestigungspunkts entstehende, von der Schiene übertragene Schwingungsenergien absorbiert und zwar sowohl unmittelbar bei der mit der Überfahrt eines Zuges einhergehenden Absenkung der Schiene, als auch bereits bei der Annäherung oder Entfernung eines Schienenfahrzeuges und der damit einhergehenden Absenkung. Auf diese Weise lässt sich insbesondere das hochfrequente sogenannte ”Schienensingen” effektiv minimieren.
Entscheidend für das Dämpfungsverhalten eines elastischen Elements ist neben dem Umstand, dass der Kontaktabschnitt bei unbelastetem elastischem Element über dessen Aufstandfläche hinaussteht, dass der Kontaktabschnitt von mindestens zwei Stützabschnitten getragen wird, die zueinander beabstandet angeordnet sind, wobei der Kontaktabschnitt im zwischen den Stützabschnitten vom elastischen Element überspannten Bereich angeordnet ist.
Durch diese Anordnung eröffnen sich breiteste Möglichkeiten der Einstellung des Dämpfungsverhaltens des in einem erfindungsgemäßen Element vorgesehenen Dämpfungselements. So lassen sich die Formgebung des Dämpfungselements, die Materialwahl oder die Dimensionierung der einzelnen Abschnitte des Dämpfungselements jeweils so wählen, dass eine auf den jeweiligen Einsatzzweck optimal abgestimmte Dämpfungswirkung erzielt wird.
Bei einer hinsichtlich der dämpfenden Wirkung besonders vorteilhaften und gleichzeitig herstellungstechnisch einfach zu realisierenden Ausgestaltung eines erfindungsgemäß vorgesehenen Dämpfungselements weist das Dämpfungselement einen Tragabschnitt auf, der auf den Stützabschnitten abgestützt ist und auf dem der Kontaktabschnitt sitzt. Der Tragabschnitt liegt dabei auf den Stützabschnitten auf, so dass über den Abstand der Stützabschnitte, d. h. die zwischen den Stützabschnitten vorhandene, vom Tragabschnitt überspannte lichte Weite, die Dicke des Tragabschnitts, die Formgebung des Tragabschnitts und das Material des Tragabschnitts die elastische Nachgiebigkeit des Dämpfungselements und damit sein Dämpfungsverhalten direkt beeinflusst werden können. So kann der Tragabschnitt als solide Platte oder als aus einem oder mehreren Stäben oder Stegen zusammengesetzte Netzstruktur oder desgleichen ausgebildet sein.
Auch über die Position des Kontaktabschnitts in Bezug auf die Stützabschnitte kann das Dämpfungsverhalten des jeweiligen erfindungsgemäß vorgesehenen Dämpfungselements beeinflusst werden. Typischerweise wird der Kontaktabschnitt in Seitenansicht auf das Dämpfungselement mittig zwischen zwei benachbart und beabstandet zueinander angeordneten Stützabschnitten angeordnet sein, jedoch kann es unter bestimmten Umständen auch zweckmäßig sein, eine außermittige Anordnung zu wählen, wenn beispielsweise im praktischen Gebrauch eine abweichend von der Schwerkraftrichtung gerichtete Dämpfungswirkung erzielt werden soll.
Sind drei oder mehr Stützabschnitte vorgesehen, die gemeinsam einen den Abstand zwischen diesen Stützabschnitten überspannenden Bereich des Dämpfungselements stützen, so wird der Kontaktabschnitt in Draufsicht betrachtet üblicherweise an zentraler Stelle mittig zwischen den Stützabschnitten des Dämpfungselements angeordnet sein. Jedoch kann auch hier gegebenenfalls eine außermittige Anordnung zweckmäßig sein, wenn eine besonders gerichtete Dämpfungswirkung gewünscht ist.
Über das elastische Material seines Grundkörpers wird bei einem erfindungsgemäßen elastischen Element die gewünschte statische und dynamische Steifigkeit eingestellt. Dabei umfasst das elastische Material des Grundkörpers das jeweilige Dämpfungselement.
Grundsätzlich ist es für die Wirkung des erfindungsgemäß vorgesehenen mindestens einen Dämpfungselements besonders zweckmäßig, wenn die Stützabschnitte des Dämpfungselements so angeordnet sind, dass ihre der Auflagefläche zugeordneten Stützflächen in einer Ebene mit der Auflagefläche liegen. Sollte sich im Gebrauch jedoch herausstellen, dass sich in Folge des so bewirkten direkten Kontakts zwischen dem Dämpfungselement und dem jeweils unterhalb des elastischen Elements angeordneten Bauteil oder Untergrund eine Schallbrücke einstellt, kann dies dadurch vermieden werden, dass das Dämpfungselement auch an seiner der Auflagefläche zugeordneten Unterseite mit Material des Grundkörpers bedeckt ist, die Abstützung des Dämpfungselements gegenüber dem Untergrund also über Material des Grundkörpers erfolgt, das zwischen dem Dämpfungselement und der Unterseite des elastischen Element vorhanden ist.
Die Einbettung des Dämpfungselements in das Material des Grundkörpers stellt einerseits sicher, dass das elastische Material des Grundkörpers im Gebrauch das Dämpfungselement schnell in seine Ausgangsposition zurückdrückt, nachdem das Schienenfahrzeug den Befestigungspunkt passiert hat und das elastische Element dabei in Folge der durch das Überfahren des Befestigungspunktes ausgelösten Belastung zusammengedrückt worden ist. Andererseits wird dadurch, dass das elastische Material des Grundkörpers das Dämpfungselement bis auf den aus ihm hinausstehenden Teil des Kontaktabschnitts umgibt, insgesamt eine optimierte statische und dynamische Steifigkeit des elastischen Elements erzielt.
Durch die erfindungsgemäße Gestaltung ist bei einem erfindungsgemäßen elastischen Element eine optimale Dämpfungswirkung auch bei einer schnellen Folge von Belastungswechseln sichergestellt, wie sie typischerweise beim Überfahren eines Schienenbefestigungspunkts durch einen Zug ausgelöst werden, der durch eine Lokomotive und mehrere Waggons mit jeweils in Fahrtrichtung des Zugs beabstandeten Achsen gebildet ist.
Dies gilt insbesondere dann, wenn das erfindungsgemäße elastische Element plattenförmig ausgebildet ist und demgemäß bei einem erfindungsgemäßen Befestigungspunkt als Zwischenplatte oder Zwischenlage zwischen dem Schienenfuß und dem Untergrund angeordnet ist, auf dem die jeweils zu befestigende Schiene angeordnet wird. Dabei können zwischen Schienenfuß und dem jeweiligen erfindungsgemäßen elastischen Element oder zwischen dem jeweiligen erfindungsgemäßen elastischen Element und dem Untergrund selbstverständlich weitere Elemente vorgesehen sein, um eine optimale Abstützung der Schiene auf dem Untergrund zu gewährleisten oder einen minimierten Verschleiß des elastischen Elements zu erreichen.
Bei dem Untergrund, auf dem die Schiene abgestützt wird, handelt es sich typischerweise um eine Schwelle oder Platte, die aus Beton oder einem anderen vergleichbar steifen, unnachgiebigen Werkstoff besteht. Das erfindungsgemäße elastische Element verleiht dem Schienenbefestigungspunkt dann eine definierte elastische Nachgiebigkeit in Schwerkraftrichtung, durch die die Lebensdauer der Schiene und der Schienenbefestigung insgesamt erhöht wird.
Wie voranstehend erläutert, umfasst ein erfindungsgemäßes elastisches Element mindestens ein Dämpfungselement der erfindungsgemäß vorgesehenen Art. Es versteht sich von selbst, dass dies die Möglichkeit einschließt, eine größere Zahl, also mehr als ein Dämpfungselement, beispielsweise mindestens neun oder mindestens zwölf, voneinander separierte Dämpfungselemente bei einem erfindungsgemäßen elastischen Element vorzusehen.
Es ist jedoch bei einem elastischen Element auch möglich, dass das Dämpfungselement eine sich in Breiten- oder Längsrichtung des elastischen Elements gestreckte Form aufweist, dass in der jeweils betrachteten Richtung des elastischen Elements drei oder mehr Stützabschnitte verteilt angeordnet sind und dass in einem mindestens zwischen zwei Stützabschnitten vom Dämpfungselement überspannten Bereich jeweils mindestens ein Kontaktabschnitt angeordnet ist.
So ist es beispielsweise denkbar, das Dämpfungselement nach Art eines lang gestreckten Stegs auszubilden, der über eine größere Zahl von in seiner Längsrichtung verteilt angeordneten Stützabschnitten abgestützt ist, wobei im vom Dämpfungselement zwischen zwei in Längsrichtung beabstandeten Stützabschnitten überspannten Bereich dann jeweils mindestens ein Kontaktabschnitt angeordnet sein kann.
Ebenso ist es denkbar, bei einem erfindungsgemäßen elastischen Element ein Dämpfungselement vorzusehen, dass sich großflächig in Längs- und Querrichtung des elastischen Elements erstreckt, wobei eine größere Zahl von Stützabschnitten mit Abstand zueinander verteilt an dem Dämpfungselement ausgebildet sind und ein oder mehrere Kontaktabschnitte in jeweils zwischen zwei Stützabschnitten vom Dämpfungselement überspannten Bereich angeordnet sind.
Selbstverständlich ist es bei einer länglichen oder großflächig sich erstreckenden Formgebung nicht erforderlich, dass im zwischen zwei in der jeweils betrachteten Richtung beabstandeten Stützabschnitten überspannten Bereich des Dämpfungselements immer ein Kontaktabschnitt angeordnet ist. Vielmehr können die Kontaktabschnitte unter Auslassung jeweils eines oder mehrerer überspannter Bereiche so gesetzt werden, dass ein optimales Dämpfungsverhalten bezogen auf den jeweiligen Einsatzfall erzielt wird.
Sind mehrere gleichartige Dämpfungselemente bei einem erfindungsgemäßen elastischen Element vorgesehen, so ergibt sich eine gleichmäßige Dämpfungswirkung, wenn die Dämpfungselemente gleichmäßig über einen Abschnitt der Aufstandfläche des Grundkörpers verteilt angeordnet sind. Sollte sich herausstellen, dass in bestimmten Bereichen des elastischen Elements eine höhere Dämpfung anzustreben ist als in einem anderen Bereich, so kann die bereichsweise höhere Dämpfung dadurch erzielt werden, dass in dem Bereich mit gefordert höherer Dämpfung die Dämpfungselemente enger benachbart angeordnet werden als in einem Bereich, in dem eine geringere Dämpfung gewünscht ist.
Das elastische Material des Grundkörpers kann bei der Herstellung des erfindungsgemäßen elastischen Elements an das oder die Dämpfungselement(e) angeformt werden, so dass ein fester Verbund von Grundkörper und Dämpfungselement(en) gebildet ist.
Aus funktionaler oder herstellungstechnischer Sicht kann es jedoch auch vorteilhaft sein, wenn in den Grundkörper für das oder die jeweils vorgesehenen Dämpfungselement(e) jeweils eine Ausnehmung vorgesehen ist, in die das betreffende Dämpfungselement jeweils eingepasst ist. Erforderlichenfalls kann das jeweilige Dämpfungselement auch in den Grundkörper des elastischen Elements eingeklebt oder in anderer Weise geeignet befestigt sein. Möglich sind auch kraft- oder formschlüssige Befestigungen, wobei das jeweilige Dämpfungselement vorzugsweise verliersicher in dem Grundkörper gehalten wird, um die Montage eines erfindungsgemäßen Zwischenelements im jeweiligen Schienenbefestigungspunkt zu vereinfachen.
Besonders geeignet für den Einsatz im Bereich von Befestigungspunkten für durch Schienenfahrzeuge befahrene Schienen sind solche erfindungsgemäßen elastischen Elemente, bei denen das elastische Material des Grundkörpers eine nach DIN EN 13146-9:2011 bestimmte statische Steifigkeit von 12–150 kN/mm aufweist, wobei sich elastische Materialen, deren statische Steifigkeit bei 35–120 kN/mm liegt, als besonders zweckmäßig herausgestellt haben.
Optimalerweise liegt dabei das ”Versteifungsfaktor” genannte Verhältnis von dynamischer zu statischer Steifigkeit unterhalb von 1,5 (Versteifungsfaktor < 1,5). Als Materialien, die diese Anforderungen erfüllen, kommen natürlicher oder synthetischer Kautschuk oder geeignete Elastomere in Frage. Dabei kann der Grundkörper einen mikrozellularen Aufbau aufweisen, indem er beispielsweise geschäumt ist.
Das jeweilige erfindungsgemäß vorgesehene Dämpfungselement besteht aus einem Material mit einem höheren Dämpfungswert als das elastische Material der elastischen Zwischenlage. Das oder die bei einem erfindungsgemäßen elastischen Element vorgesehene(n) Dämpfungselement(e) weisen dabei eine optimale Wirkung auf, wenn sie einen nach DIN 53513:1990 bestimmten mechanischen Verlustfaktor tan δ von mindestens 0,15 (tan δ > 0,15) besitzen, wobei sich tan δ-Werte von 0,15–0,55 als besonders günstig herausgestellt haben.
Für das oder die Dämpfungselement(e) geeignete Materialien sind Kautschuke oder Elastomere, wobei deren Dämpfungswirkung durch eingelagerte Füllstoffe eingestellt sein kann. Ebenso sind nachwachsende Materialien, die beispielsweise eine faserige oder poröse Struktur aufweisen, für das oder die Dämpfungselement(e) geeignet. In das Material des jeweiligen Dämpfungselements können Füllstoffe, die eine andere Dichte aufweisen als der übrige Werkstoff des Dämpfungselements, eingelagert sein, um die jeweils gewünschte Dämpfungswirkung zu optimieren. Beispielsweise kann es zweckmäßig sein, wenn die Dichte der Füllstoffe eine geringere Dichte besitzen als der übrige Werkstoff. In anderen Anwendungsfällen kann es jedoch auch zweckmäßig sein, schwerere Füllstoffe, wie Metallpartikel oder Gesteinsmehl, zu verwenden, die eine höhere Dichte haben.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer ein Ausführungsbeispiel zeigenden Zeichnung näher erläutert. Deren Figuren zeigen jeweils schematisch:
1 ein als elastische Zwischenlage ausgebildetes elastisches Element in einer perspektivischen Ansicht;
2a das elastische Element gemäß 1 in Draufsicht;
2b das elastische Element gemäß 1 und 2a in einem Schnitt entlang der in 2a eingetragenen Schnittlinie X-X;
3a eine alternative Ausgestaltung des elastischen Elements gemäß 1 in Draufsicht;
3b das elastische Element gemäß 3a in einem Schnitt entlang der in 3a eingetragenen Schnittlinie X-X;
4a eine alternative Ausgestaltung des elastischen Elements gemäß 1 in Draufsicht;
4b das elastische Element gemäß 4a in einem Schnitt entlang der in 4a eingetragenen Schnittlinie X-X;
5a ein im elastischen Element gemäß 2a, 2b eingesetztes Dämpfungselement in Draufsicht;
5b das Dämpfungselement gemäß 5a in einer ersten seitlichen Ansicht;
5c das Dämpfungselement gemäß 5a in einer zweiten seitlichen Ansicht;
5d das Dämpfungselement gemäß 5a in einer Ansicht von unten;
6 eine alternative Ausgestaltung eines Dämpfungselements in einem Ausschnitt in Draufsicht;
7a eine weitere Ausgestaltung eines Dämpfungselements in Draufsicht;
7b das Dämpfungselement gemäß 7a in einer ersten seitlichen Ansicht;
7c das Dämpfungselement gemäß 7a in einer zweiten seitlichen Ansicht;
8a eine weitere Ausgestaltung eines Dämpfungselements in Draufsicht;
8b das Dämpfungselement gemäß 8a in einer ersten seitlichen Ansicht;
8c das Dämpfungselement gemäß 8a in einer zweiten seitlichen Ansicht;
9 einen Befestigungspunkt zur Befestigung einer Schiene in einem Schnitt quer zur Längserstreckung der Schiene.
Der in 9 dargestellte Befestigungspunkt B, in dem eine Schiene S auf einer einen Untergrund U bildenden Schwelle, die aus Beton besteht, befestigt ist, ist aus einem Schienenbefestigungssystem gebildet, das zwei Spannklemmen SK1, SK2, zwei Führungsplatten FP1, FP2, zwei als Spannmittel zum Spannen der jeweiligen Spannklemme SK1, SK2 benötigte Spannschrauben SR1, SR2 und ein in Draufsicht im Wesentlichen rechteckig ausgebildetes elastisches Element umfasst, das in allen Figuren unabhängig von seiner dort jeweils gezeigten Ausgestaltung allgemein mit ”1” bezeichnet ist.
Jeweils eine der Spannklemmen SK1, SK2, eine der Führungsplatten FP1, FP2 und eine der Spannschrauben SR1, SR2 sind an einer der Längsseiten L1, L2 der Schiene S angeordnet, während das elastische Element 1 zwischen dem Fuß SF der Schiene S und dem Untergrund U liegt. Die Schiene S steht dementsprechend mit ihrem Fuß SF auf der ihr zugeordneten Aufstandfläche 2 des elastischen Elements 1, das mit seiner dem Untergrund U zugeordneten Auflageseite 3 auf dem Untergrund U liegt.
Die Führungsplatten FP1, FP2 sind hier nach Art von konventionellen Winkelführungsplatten ausgebildet und weisen auf ihrer dem Untergrund U zugeordneten Unterseite einen sich über ihre in Längsrichtung L der Schiene S gemessene Breite B erstreckenden Absatz auf, der bei in Montagestellung befindlichen Führungsplatten FP1, FP2 jeweils in einer zugeordneten, korrespondierend in den Untergrund U eingeformten Rinne sitzt. Zusätzlich sind die Führungsplatten FP1, FP2 in Montagestellung jeweils mit ihrer von der Schiene S abgewandten Rückseite an einer ebenfalls an dem Untergrund U ausgebildeten Schulter abgestützt. An ihrer dem Schienenfuß SF zugeordneten, gegenüber der Rückseite verbreiterten Vorderseite weisen die Führungsplatten FP1, FP2 jeweils eine Anlagefläche auf, gegen die der Schienenfuß SF mit seinem Längsrand abgestützt ist. Von der Schiene S beim Überfahren durch ein hier nicht gezeigtes Schienenfahrzeug entstehende Querkräfte Q werden so von den Führungsplatten FP1, FP2 aufgenommen und in den Untergrund U abgeleitet.
An ihren Oberseiten weisen die Führungsplatten FP1, FP2 hier im Einzelnen nicht dargestellte Formelemente zum Führen der auf der Führungsplatte FP1, FP2 jeweils montierten Spannklemme SK1, SK2 und eine hier ebenfalls nicht sichtbare, von der Oberseite zum Untergrund U führende Durchgangsöffnung auf, durch die die zum Spannen der jeweiligen Spannklemme SK1, SK2 verwendete Spannschraube SR1, SR2 gesteckt ist. Die betreffende Spannschraube SR1, SR2 ist dabei jeweils in einen in den Untergrund U eingelassenen, hier nicht sichtbaren Dübel geschraubt.
Das im Befestigungspunkt SB als Zwischenplatte eingesetzte elastische Element 1 stellt eine definierte elastische Nachgiebigkeit und Dämpfung des Befestigungspunkts SB in vertikaler Richtung V sicher.
Zu diesem Zweck umfasst das elastische Element 1 einen Grundkörper 4, der aus einem dauerelastisch komprimierbaren, feinporigen EPDM-Material besteht, das eine statische Steifigkeit von beispielsweise 80 kN/mm und eine dynamische Steifigkeit von beispielsweise 110 kN/mm besitzt, so dass der Versteifungsfaktor 1,375 beträgt. Die Aufstandfläche 2 ist an der Ober- und die Auflagefläche 3 an der Unterseite des Grundkörpers 4 ausgebildet.
Der Grundkörper 4 weist angrenzend an seine Schmalseiten 5, 6 jeweils an seine Längsseiten 7, 8 angeformte und von diesen abstehende Absätze auf, so dass das elastische Element 1 in Draufsicht die Form eines ”I” oder auch ”Doppel-T” hat.
Bei jedem der in den Figuren gezeigten elastischen Elemente 1 sind in dem Grundkörper 4 jeweils eine Anzahl von Dämpfungselementen D1 (Ausgestaltung gemäß 2a–2b), D2 (Ausgestaltung gemäß 3a–3b), D3 (Ausgestaltung gemäß 4a–4b) oder D4 (Ausgestaltung gemäß 5a–5b) eingebettet.
Die Dämpfungselemente D1–D4 bestehen aus einem hoch dämpfenden Kunststoffmaterial, das zur Verbesserung der Dämpfungseigenschaften mit einem faserförmigen Füllstoff gefüllt ist.
Bei der in den 2a und 2b dargestellten Ausgestaltung des elastischen Elements 1 sind die Dämpfungselemente D1 in einer regelmäßig abwechselnden Folge von aus jeweils zwei oder drei in Längsrichtung L nebeneinander positionierten Dämpfungselementen D1 über die Breite B des elastischen Elements 1 verteilt angeordnet.
Wie in den 5a–5d dargestellt, weisen die Dämpfungselemente D1 jeweils einen plattenförmigen, in Draufsicht rechteckigen Tragabschnitt 9 auf, in dessen vier Ecken jeweils ein quaderförmiger Stützabschnitt 10, 11, 12, 13 an die Unterseite des Tragabschnitts 9 angeformt ist. An der Oberseite des Tragabschnitts 9 ist dagegen zentral mittig ein quaderförmiger Kontaktabschnitt 14 ausgebildet, der von der Oberseite des Tragabschnitts 9 absteht. Auf diese Weise überspannt das Dämpfungselement D1 den zwischen seinen Stützabschnitten 10–13 vorhandenen Bereich 15, über dem zentral der Kontaktabschnitt 14 angeordnet ist (5c).
Die Geometrie der Dämpfungselemente D1 ist derart gewählt, dass einerseits die Kontaktabschnitte 14 der in das elastische Element 1 eingelassenen Dämpfungselemente D1 mit ihrem jeweiligen Kopfabschnitt 16, der sich über einen Teil der Höhe der Kontaktabschnitte 14 erstreckt, über die Aufstandfläche 2 des Grundkörpers 4 hinausstehen. Andererseits sind die Stützabschnitte 10–13 mit ihren Unterseiten bündig zur Auflagefläche 3 ausgerichtet, so dass bei fertig montiertem Schienenbefestigungspunkt SB die Dämpfungselemente D1 direkt auf dem Untergrund U abgestützt sind.
Beim in den 3a und 3b gezeigten Ausführungsbeispiel sind die im Ausführungsbeispiel gemäß den 2a, 2b separat in Zweier- bzw. Dreierreihe angeordneten Dämpfungselemente D1 zu jeweils einem Dämpfungselement D2 pro Reihe zusammengefasst worden. Die Dämpfungselemente D2 weisen dementsprechend einen langgestreckten, in Draufsicht gesehen stegartigen Tragabschnitt 17 auf, der von Stützabschnitten 18 getragen wird, welche nach Art einer durch mehrere Brückenpfeiler unterstützten Brücke in regelmäßigen Abständen über die Länge des jeweiligen Dämpfungselements D2 verteilt angeordnet sind. Wie in 6 gezeigt, erstrecken sich die Stützabschnitte 18 jeweils über die gesamte Breite des Tragabschnitts 17. Im durch den Tragabschnitt 17 zwischen zwei benachbarten Stützabschnitten 18 überspannten Bereich ist wiederum in Draufsicht gesehen mittig zwischen den betreffenden Stützabschnitten 18 ein Kontaktabschnitt 19 angeordnet, der sich ebenfalls über die Breite des Tragabschnitts 17 erstreckt. Die Abmessungen der Dämpfungselemente D2 sind im Übrigen an die Abmessungen der Dämpfungselemente D1 angepasst, so dass auch beim in den 3a, 3b dargestellten elastischen Element 1 die Kontaktabschnitte 19 mit ihrem Kopfabschnitt über die Aufstandfläche 2 hinausstehen und mit der Unterseite ihrer Stützabschnitte 18 bündig zur Auflagefläche 3 des elastischen Elements 1 angeordnet sind.
Beim in den 4a, 4b dargestellten Ausführungsbeispiel sind die in das elastische Element 1 eingebetteten Dämpfungselemente D3, wie in den 8a–8c verdeutlicht, nach Art von Halbschalen ausgebildet. Die seitlichen Endabschnitte der Dämpfungselemente D3 bilden dabei die Stützabschnitte 20, 21. Die Abmessungen der Dämpfungselemente D3, insbesondere der Radius ihres Außenumfangdurchmessers, sind dabei so bemessen, dass die Dämpfungselemente D3 mit einem zentralen mittleren Bereich über die Aufstandfläche 2 am Grundkörper 4 der Dämpfungselemente D3 hinausragen. Dieser Bereich bildet den Kontaktabschnitt 23 der Dämpfungselemente D3.
Als weiteres Beispiel für eine Ausgestaltung eines erfindungsgemäß vorgesehenen Dämpfungselements ist das in den 7a–7c dargestellte Dämpfungselement D4 anzuführen. Es weist einen Tragabschnitt 24 auf, der drei Stege umfasst, welche in Draufsicht sternförmig in gleichmäßigen Winkelabständen um einen auf dem Tragabschnitt 24 errichteten, nach Art eines Zylinders geformten Kontaktabschnitt 25 angeordnet sind. An die Unterseite der freien Enden der Stege des Tragabschnitts 24 ist jeweils ein ebenfalls zylindrischer Stützabschnitt 26 angeformt.
Beim Aufsetzen der Schiene S auf das jeweilige elastische Element 1 setzt die Unterseite des Schienenfußes SF zuerst auf der freien Stirnfläche der Kontaktabschnitte der jeweiligen Dämpfungselemente D1, D2, D3 oder D4 der elastischen Elemente 1 auf. Wie am Beispiel der Dämpfungselemente D2 in dem vergrößerten Ausschnitt in 9 gezeigt, werden Dämpfungselemente D1, D2, D3, D4 durch das Gewicht der Schiene S anschließend in vertikaler Richtung verformt, bis die Schiene S auf der Aufstandfläche 2 des jeweiligen elastischen Elements 1 sitzt.
Beim Überfahren des Befestigungspunkts SB durch ein hier nicht gezeigtes Schienenfahrzeug wird das plattenförmige elastische Element 1 und mit ihm die in ihm jeweils enthaltenen Dämpfungselemente D1, D2, D3, D4 in vertikaler Richtung V komprimiert. Das elastische Material des Grundkörpers 4 stellt dabei sicher, dass sich die Schiene S im Befestigungspunkt SB in vertikaler Richtung V um einen definierten Betrag absenkt. Gleichzeitig dämpfen die jeweiligen Dämpfungselemente D1, D2, D3, D4 Schwingungen, die durch das Überfahren angeregt werden, und unterbinden so effektiv die Emission von primärem oder sekundärem Schall. Dabei ist ein dauerhafter, intensiver Kontakt zwischen den jeweiligen Dämpfungselementen D1, D2, D3 und D4 und der Schiene S einerseits und dem Untergrund U andererseits gewährleistet, so dass eine maximale Effektivität der Schalldämpfung gesichert ist.
Bezugszeichenliste

B: Breite (Breitenrichtung) des elastischen Elements 1
D1–D4: Dämpfungselemente
FP1, FP2: Führungsplatten
L: Länge (Längsrichtung) des elastischen Elements 1
L1, L2: Längsseiten der Schiene S
Q: Querkräfte
S: Schiene
SB: Befestigungspunkt für die Schiene S
SF: Fuß der Schiene S
SK1, SK2: Spannklemmen
SR1,SR2: Spannschrauben
U: Untergrund (Schwelle aus Beton)
V: vertikale Richtung (Wirkrichtung der Schwerkraft)
1: elastisches Element (Zwischenplatte)
2: Aufstandfläche des elastischen Elements 1
3: Auflageseite des elastischen Elements 1
4: Grundkörper des elastischen Elements 1
5, 6: Schmalseiten des Grundkörpers 4
7, 8: Längsseiten des Grundkörpers 4
9: Trägerabschnitt der Dämpfungselemente D1
10–13: Stützabschnitt der Dämpfungselemente D1
14: Kontaktabschnitt der Dämpfungselemente D1
15: zwischen den Stützabschnitten 10–13 überspannter Bereich
16: Kopfabschnitt des Kontaktabschnitts 14
17: Trägerabschnitt der Dämpfungselemente D2
18: Stützabschnitte der Dämpfungselemente D2
19: Kontaktabschnitte der Dämpfungselemente D2
20, 21: Stützabschnitte der Dämpfungselemente D3
23: Kontaktabschnitt der Dämpfungselemente D3
24: Trägerabschnitt der Dämpfungselemente D4
25: Kontaktabschnitt der Dämpfungselemente D4
26: Stützabschnitt der Dämpfungselemente D3

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2005/010277 A1 [0009]
DE 202005008535 A1 [0009]
WO 2009/094686 A1 [0009]
CN 202214663 A [0010]
CN 201972059 U [0011]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Vincent, Bouvet, Thompson, Gautier; Journal of Sound and Vibration 1996. [0007]
DIN EN 13146-9:2011 [0040]
DIN 53513:1990 [0042]

Claims

Elastisches Element, das dazu vorgesehen ist, in einem Befestigungspunkt (SB) für eine Schiene (S) für Schienenfahrzeuge zwischen der Schiene (S) und dem sie tragenden Untergrund (U) angeordnet zu werden, wobei das elastische Element (1) eine dem Fuß (SF) der Schiene (S) zugeordnete Aufstandfläche (2) und eine dem Untergrund (U) zugeordnete Auflagefläche (3) besitzt und wobei das elastische Element (1) einen Grundkörper (4), der aus einem Material besteht, das sich mindestens in einer gegen die Aufstandfläche (2) gerichteten Belastungsrichtung elastisch nachgiebig verhält, sowie mindestens ein Dämpfungselement (D1–D4) umfasst, das in das elastische Material des Grundkörpers (4) eingebettet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungselement (D1–D4) mindestens einen der Aufstandfläche (2) zugeordneten Kontaktabschnitt (14, 19, 23, 25), der bei unbelastetem elastischem Element (1) bündig zur Aufstandfläche (2) des elastischen Elements (1) ausgerichtet ist oder über die Aufstandfläche (2) des elastischen Elements (1) hinaus ragt, und mindestens zwei der Auflagefläche des elastischen Elements zugeordnete, zueinander beabstandete Stützabschnitte (10, 13, 18, 20, 21, 26) aufweist, und dass der Kontaktabschnitt (14, 19, 23, 25) in dem zwischen den Stützabschnitten (10, 13, 18, 20, 21, 26) vom Dämpfungselement (D1–D4) überspannten Bereich (15) angeordnet und in Belastungsrichtung (V) elastisch nachgiebig nach Art einer Brücke getragen ist.
Elastisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungselement (D1–D4) einen Tragabschnitt (9,17,24) aufweist, der auf den Stützabschnitten (10, 13, 18, 20, 21, 26) abgestützt ist und auf dem der Kontaktabschnitt (14, 19, 23, 25) sitzt.
Elastisches Element nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktabschnitt (14, 19, 23, 25) des Dämpfungselements (D1–D4) in Bezug auf die ihm jeweils zugeordneten mindestens zwei Stützabschnitte (10, 13, 18, 20, 21, 26) mittig angeordnet ist.
Elastisches Element nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktabschnitt (14, 19, 23, 25) des Dämpfungselements (D1–D4) über mehr als zwei Stützabschnitte (10, 13, 18, 20, 21, 26) abgestützt ist.
Elastisches Element nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungselement (D1–D4) eine sich in Breiten-(B) oder Längsrichtung (L) des elastischen Elements (1) gestreckte Form aufweist, dass in der jeweils betrachteten Richtung (B, L) des elastischen Elements (1) drei oder mehr Stützabschnitte (10, 13, 18, 20, 21, 26) verteilt angeordnet sind und dass in einem mindestens zwischen zwei Stützabschnitten (10, 13, 18, 20, 21, 26) vom Dämpfungselement (D1–D4) überspannten Bereiche (15) jeweils mindestens ein Kontaktabschnitt (14, 19, 23, 25) angeordnet ist.
Elastisches Element nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Material des Grundkörpers (4) eine statische Steifigkeit von 12–150 kN/mm aufweist.
Elastisches Element nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Material des Grundkörpers (4) eine statische Steifigkeit von 35–120 kN/mm aufweist.
Elastisches Element nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Versteifungsfaktor des elastischen Materials des Grundkörpers (4) kleiner als 1,5 ist.
Elastisches Element nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungselement (D1–D4) einen mechanischen Verlustfaktor tan δ von mehr als 0,15 aufweist.
Elastisches Element nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der mechanische Verlustfaktor tan δ 0,15–0,55 beträgt.
Elastisches Element nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungselement (D1–D4) aus einem Kautschuk- oder Elastomer-Werkstoff besteht.
Elastisches Element nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in das Dämpfungselement (D1–D4) Füllstoffe eingelagert sind, die eine andere Dichte aufweisen als der übrige Werkstoff des Dämpfungselements (D1–D4).
Elastisches Element nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungselement (D1–D4) aus einem Werkstoff mit poröser oder faseriger Struktur besteht.
Elastisches Element nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es eine elastische Zwischenplatte (1) ist.
Befestigungspunkt, in dem eine Schiene (S) auf einem Untergrund (U) befestigt ist, wobei zwischen der Schiene (S) und dem Untergrund (U) ein gemäß einem der voranstehenden Ansprüche ausgebildetes elastisches Element (1) angeordnet ist.