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Die Erfindung bezieht sich auf eine Kupplungsvorrichtung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Danach ist eine Kupplungsvorrichtung zur Verbindung von zwei Wagenkästen bekannt, mit einer Kuppelstange zur Übertragung von Längskräften zwischen den zwei Wagenkästen, wobei die Kuppelstange mit ihren Enden jeweils in einem beweglichen Lager an den beiden Wagenkästen befestigt ist.
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Eine solche Kupplungsvorrichtung ist beispielsweise von der Baureihe 403/406 (ICE3) des Betreibers DB AG bekannt, wobei die Wagenkästen auf voneinander unabhängigen Fahrwerken abgestützt sind.
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Weiterhin ist eine Kupplungsvorrichtung zur Verbindung von zwei auf einem gemeinsamen Fahrwerk abgestützten Wagenkästen bekannt, mit einem einzigen sphärisch beweglichen Gelenk zur Übertragung von Kräften zwischen den zwei Wagenkästen in allen Richtungen.
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Eine solche Kupplungsvorrichtung ist beispielsweise von den Baureihen 424/425/426 des Betreibers DB AG bekannt.
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Mehrgliedrige Schienenfahrzeuge benötigen mechanische Kupplungsvorrichtungen zur Übertragung von Längskräften zwischen den einzelnen Wagenkästen. Falls sich benachbarte Wagenkästen Fahrwerke zur Abstützung oder Führung in einem Gleis teilen, kann auch die Übertragung von Kräften in Vertikal- und/oder Querrichtung erforderlich werden.
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Zur Aufnahme von Energie bei einem reversiblen Kuppeln zweier benachbarter Wagenkästen und bei Kollisionen ist eine Längsbeweglichkeit bei vorgegebener Kraft von Vorteil. Abhängig von der Ausführung der Fahrwerke, welche von benachbarten Wagenkästen gemeinsam genutzt werden, kann, insbesondere in Querrichtung, anstelle einer annähernd starren Kopplung der Wagenkästen eine vorgegebene Nachgiebigkeit vorteilhaft sein.
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Schienenfahrzeuge mit gemeinsamen Fahrwerken benachbarter Wagenkästen sind üblicher Weise mit einem über dem Zentrum des Fahrwerks liegenden, sphärisch beweglichem Gelenk verbunden. Zudem existieren Ausführungen mit in Stützarme der Gelenke integriertem irreversiblen Energieverzehr zur Aufnahme von Kollisionsenergie. Ein reversibler Energieverlust ist im Fall echter Gelenke überhaupt nicht vorhanden und bei elastischen (unechten) Gelenken auf nur sehr geringe Werte (ca. 5mm Hub) beschränkt. Die Integration eines zusätzlichen Hubs zum reversiblen Energieverzehr außerhalb des sphärisch beweglichen Gelenks (Sphärolager) wird dadurch erschwert, dass diese Beweglichkeit auch die anforderungsgemäßen Vertikal- und/Querkräfte übertragen muss. Der Aufbau einer entsprechenden Führung, die im Gegensatz zu einem irreversiblen Energieverzehr bei Kollisionen für häufigere Bewegung geeignet ist, ist in den vorhandenen Bauräumen bekannter Kupplungsvorrichtungen kaum möglich.
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Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Kupplungsvorrichtung der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass eine geeignete Übertragung von Längs- aber auch von Vertikal- und/oder Querkräften ermöglicht ist, bei der auch wenigstens ein reversibler Energieverzehr realisierbar ist.
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Diese Aufgabe wird durch eine Kupplungsvorrichtung nach Anspruch 1 gelöst. Danach zeichnet sich die eingangs genannte Kupplungsvorrichtung dadurch aus, dass die Kupplungsvorrichtung ein Gelenkgetriebe umfasst, das unabhängig von der Kuppelstange ist und zur Übertragung von Vertikal- und/oder Querkräften zwischen den beiden Wagenkästen ausgebildet ist, so dass die Kuppelstange ausschließlich in ihrer Längsrichtung belastet ist.
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Die nur in Längsrichtung belastete Kuppelstange erlaubt die Nutzung bewährter elastischer Elemente konventioneller Kupplungen für Fahrzeuge mit separaten Fahrwerken, insbesondere für reversiblen und irreversiblen Energieverzehr. Dabei kann der Hub des reversiblen Energieverzehrs anforderungsgerecht gewählt werden. Bei längeren Zugeinheiten kann so die Frontkupplung wirksam entlastet werden. Die geeignete Gestaltung des Gelenkgetriebes ermöglicht eine seitliche Verschiebbarkeit der Wagenkästen zueinander. Damit lässt sich beispielsweise ein Lichtraumprofil beim Durchfahren von S-Bögen eines Gleises besser ausnutzen.
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Bevorzugt sind die Wagenkästen auf einem gemeinsamen Fahrwerk abgestützt. Bei dieser Ausführungsform ist die Erfindung besonders vorteilhaft.
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Die beweglichen Lager für die Kuppelstange, die sphärisch oder kardanisch ausgebildet sein können, weisen vorzugsweise jeweils elastische/reversible Elemente auf, die eine Bewegung der Kuppelstange in einer Längsrichtung der beiden Wagenkästen gestatten. Auf diese Weise wird beispielsweise im Crashfalle ein reversibler Energieverzehr durch die elastischen Elemente ermöglicht.
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Vorzugsweise weist das Gelenkgetriebe zumindest einen Freiheitsgrad in Längsrichtung auf, der zumindest einem nominellen Hub der elastischen Elemente zur Lagerung der Kuppelstange entspricht. Dadurch wird es ermöglicht, dass das Gelenkgetriebe seine Funktion zur Übertragung von Vertikal- und/oder Querkräften auch bei Längsbeanspruchung der elastischen Elemente der beweglichen Lager für die Kuppelstange beibehalten kann.
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Bevorzugt ist das Gelenkgetriebe als Koppelrahmen ausgeführt, der mittels eines ersten und eines zweiten, jeweils beweglichen Gelenks um zumindest zwei parallele, voneinander in Quer- und/oder Vertikalrichtung beabstandete Achsen gelagert ist, wobei das erste Gelenk dem einen und das zweite Gelenk dem anderen der beiden Wagenkästen zugeordnet ist. In dieser Weise sind relative Vertikal- und/oder Querbewegungen zwischen den beiden Wagenkästen möglich. Die Achsen des ersten und zweiten Gelenks liegen bei unbelasteter Kupplungsvorrichtung in deren Längsrichtung. Das erste Gelenk liegt bevorzugt als „echtes“ Gelenk vor, während das zweite Gelenk z.B. aus elastischen (Gummi-)Gelenken aufgebaut sein kann.
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Das erste und das zweite Gelenk zur Lagerung des Koppelrahmens können jeweils an einem zugeordneten Lagerbock seines zugeordneten Wagenkastens befestigt sein. Insofern verläuft der Kraftfluss bei Auftreten von Quer- und/oder Vertikalkräften zwischen den beiden Wagenkästen von dem Lagerbock des einen Wagenkastens über das erste Gelenk zu dem Koppelrahmen, daran anschließend über das zweite Gelenk zu dem Lagerbock des anderen Wagenkastens. Alternativ ist es auch möglich, dass das erste und das zweite Gelenk zur Lagerung des Koppelrahmens jeweils unmittelbar an seinem zugeordneten Wagenkasten befestigt sind. In diesem Fall sind vorhandene Lagerböcke an den zwei Wagenkästen an Vertikal-/Querkraftübertragungen nicht beteiligt, dienen beispielsweise ausschließlich zur Lagerung der Enden der Kuppelstange.
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Das erste Gelenk zur Lagerung des Koppelrahmens kann einen rotatorischen Freiheitsgrad um eine vertikale Achse aufweisen, so dass ein Knicken der Kupplungsvorrichtung in horizontalen Gleisbögen ermöglicht ist. Insofern kann das erste Gelenk als „Knickgelenk“ bezeichnet werden. Das erste Gelenk zur Lagerung des Koppelrahmens kann noch einen zusätzlichen rotatorischen Freiheitsgrad um eine Verbindungsachse zwischen den zwei Wagenkästen aufweisen, so dass eine Wankbewegung der Wagenkästen zueinander ermöglicht ist. In diesem Fall ist das erste Gelenk als Knick-/Wankgelenk ausgebildet und kann beispielsweise spährisch beweglich ausgebildet sein.
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Für das zweite Gelenk zur Lagerung des Koppelrahmens, das als „Koppelgelenk“ bezeichnet werden kann, kann vorgesehen sein, dass es als zwei in Querrichtung der Kupplungsvorrichtung voneinander beabstandete Einzelgelenke ausgeführt ist. Dies gestattet eine platzsparende Bauweise für die Kupplungsvorrichtung. Dabei kann insbesondere der Koppelrahmen vertikal angeordnet sein und eine Durchgangsöffnung zur Durchführung der Kuppelstange aufweisen. Das Kuppelgelenk sollte zumindest Rotation um die Querachse gestatten, und zwar so weit dass der Kuppelrahmen der Bewegung der elastischen Elemente folgen kann.
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Die Einzelgelenke des zweiten Gelenks zur Lagerung des Koppelrahmens können eine vorgegebene Elastizität aufweisen, so dass eine Kopplungscharakteristik der Verbindung zwischen den beiden Wagenkästen in Querrichtung eingestellt ist.
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Die Kopplungsvorrichtung kann zudem in ihrer Längsrichtung trennbar ausgebildet sein. Bevorzugt weist dann die Kupplungsstange zwei Stangenteile auf, die über eine lösbare Schalenmuffe miteinander verbunden sind, und das Gelenkgetriebe kann zu seiner Auftrennung lösbare Lagerschalen zeigen, die zu den zwei Einzelgelenken gehören können, aus denen das zweite Gelenk aufgebaut sein kann.
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Ergänzend ist es möglich, dass die Kupplungsvorrichtung einen irreversiblen Energieabsorber aufweist, der beispielsweise in der Kuppelstange oder in einem der vorgesehenen Lagerböcke integriert sein kann. Eine Beweglichkeit des Koppelrahmens in dem ersten und dem zweiten Gelenk kann dann derart dimensioniert werden, dass auch der irreversible Hub des Energieabsorbers abgedeckt wird. Falls eine Beweglichkeit des Koppelrahmens nicht den gesamten Hub der elastischen Elemente zur Lagerung der Kuppelstange und des irreversiblen Energieabsorbers abdeckt, kann in dem Gelenkgetriebe eine zusätzliche Nachgiebigkeit realisiert sein. Dafür kommen die beiden Lagerböcke, das erste und das zweite Gelenk sowie der Koppelrahmen selbst in Frage. Die zusätzliche Nachgiebigkeit kann insbesondere auch durch das Abreißen von Lagerschalen des zweiten Gelenks erfolgen, insbesondere durch das Abbrechen von deren Verschraubung.
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Beim Einsatz der Kupplungsvorrichtung ist zudem eine Anlenkung des Fahrwerks an einen der beiden Wagenkästen vorzusehen. Dazu kann einer der oben beschriebenen Lagerböcke einen Anlenkungsabschnitt zur Anbindung an das Fahrwerk umfassen, das unterhalb der Kupplungsvorrichtung anzuordnen wäre.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung noch näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine perspektivische Ansicht auf eine Kupplungsvorrichtung zur Verbindung von zwei auf einem gemeinsamen Fahrwerk abgestützten Wagenkästen eines Schienenfahrzeugs,
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2 eine vertikale Längsschnittansicht der Kupplungsvorrichtung von 1,
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3 eine perspektivische Ansicht der Kupplungsvorrichtung von 1 in einer Knickstellung,
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4 eine horizontale Längsschnittansicht der Kupplungsvorrichtung von 1 in der Knickstellung,
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5 eine vertikale Längsschnittansicht der Kupplungsvorrichtung von 1 bei vermindertem Horizontalabstand zwischen den zwei Wagenkästen und
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6 eine vertikale Längsschnittansicht der Kupplungsvorrichtung von 1 bei weiter vermindertem Horizontalabstand zwischen den zwei Wagenkästen.
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Wie der 1 zu entnehmen ist, weist eine Kupplungsvorrichtung zur Verbindung zweier Wagenkästen eines Schienenfahrzeugs, die sich auf einem gemeinsamen Fahrwerk (nicht dargestellt) abstützen, zwei Lagerböcke 1, 2 auf, die jeweils zur Befestigung an einem zugeordneten Wagenkasten vorgesehen sind. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel dient der Lagerbock 1 auch dazu, eine Anlenkung an ein unterhalb der Kupplungsvorrichtung anzuordnendes Fahrwerk zu ermöglichen. Dazu weist er einen vertikal verlaufenden Anlenkungsabschnitt 3 auf, welcher an seinem freien Ende beispielweise auf einen Drehzapfen eines Fahrwerks aufsetzbar ist.
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Zur Übertragung von Längskräften umfasst die Kupplungsvorrichtung eine mittels Muttern jeweils endseitig fixierte Kuppelstange 4, deren Enden in zwei voneinander in Längsrichtung beabstandeten, sphärisch oder kardanisch beweglichen Lagern 5, 6 gegenüber den zugeordneten Wagenkästen befestigt ist.
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Zentrales Element der Kupplungsvorrichtung ist ein Koppelrahmen 7, der eine zentrale Durchgangsöffnung 8 zur Durchführung der Kuppelstange 4 aufweist und vertikal in Querrichtung angeordnet ist. Die Durchgangsöffnung 8 ist so bemessen, dass für vorgegebene maximale Relativbewegungen der Wagenkästen ein ausreichender Abstand des Koppelrahmens 7 zur Kuppelstange 4 vorhanden ist.
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Der Koppelrahmen 7 ist über zwei einzelne Gelenke 9.1, 9.2 die in einer gemeinsamen Horizontalebene liegen, mit dem Lagerbock 2 verbunden, und zwar über jeweilige allgemein stabförmige, horizontal von dem Lagerbock 2 ausgehende Koppelelemente 10.1, 10.2. Die zwei einzelnen Gelenke 9.1, 9.2 sind bezüglich einer vertikalen mittleren Längsebene der Kupplungsvorrichtung symmetrisch angeordnet.
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Wie in 2 veranschaulicht ist, ist am oberen Ende des Anlenkungsabschnitts 3 des Lagerbocks 1 ein Gelenk 11 für den Koppelrahmen 7 vorgesehen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Gelenk 11 als sog. Sphärolager ausgeführt, das sowohl Knick- als auch Wankbewegungen zwischen den beiden Wagenkästen erlaubt. Gemeinsam mit den Einzellagern 9.1, 9.2 werden Quer- und/oder Vertikalkräfte zwischen den beiden Wagenkästen übertragen, während die Kuppelstange 4 ausschließlich zur Übertragung von Längskräften zwischen den Wagenkästen dient.
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Die Achse des Gelenks 11 verläuft in einer unbelasteten Stellung der Kupplungsvorrichtung parallel zu den Achsen der Einzelgelenke 9.1, 9.2, wobei sämtliche Achsen in Längsrichtung der Kupplungsvorrichtung liegen. Dabei weisen die Achsen des Gelenks 10 einerseits und der Einzelgelenke 9.1, 9.2 andererseits einen horizontalen Abstand zueinander auf und sind auch in Querrichtung zueinander versetzt.
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Die Kuppelstange 4 ist gegenüber dem Lagerbock 2 mittels hier beidseitig vorgesehener elastischer, reversibler Elemente 12 gelagert. In den Lagerbock 1, der dem Lagerbock 2 gegenüberliegt, ist eine irreversibel wirkende Energieabsorbereinrichtung 13 fest eingesetzt. Beidseitig des Gelenks 5, an dem hier ein Abschnitt der Energieabsorbereinrichtung 13 beteiligt ist, der an dieser Stelle die Funktion eines Lagerbocks hat, finden sich ebenfalls elastische Elemente 12 zum reversiblen Energieverzehr. Bei einer Beanspruchung der Kupplungsvorrichtung in Längsrichtung auf Kompression werden zunächst die elastischen Elemente 12 zusammengedrückt. Wenn deren zur Verfügung stehender Hub vollständig in Anspruch genommen ist, gelangen die in Längsrichtung der Kupplungsvorrichtung hintereinander angeordneten Komponenten zur unmittelbaren Anlage, so dass auch die irreversible Energieabsorbereinrichtung 13 gestaucht wird.
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Die Kuppelstange 4 ist trennbar ausgeführt. Dazu weist sie zwei Stangenabschnitte 4.1, 4.2 auf, die mittels einer Schalenmuffe 14 miteinander verbunden sind. Eine Trennbarkeit des Gelenkgetriebes ist durch abnehmbare Lagerschalen 9.3 der Einzelgelenke 9.1, 9.2 gegeben.
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Auf den jeweils – bezogen auf die Gelenke 5, 6 – äußeren Seiten der reversiblen Elemente 12 für Energieverzehr befinden sich Anlageplatten 15, so dass die elastischen Elemente 12 auf der einen Seite der Kupplungsvorrichtung zwischen Anlageflächen des Lagerbocks 2 und den Anlageplatten 15 und auf der anderen Seite der Kupplungsvorrichtung zwischen Anlageflächen der irreversiblen Energieabsorbereinrichtung 13 und den Anlageplatten 15 liegen. Dabei sind die Abstände so gewählt, dass die elastischen Elemente bei unbelasteter Kuppelstange 4 gerade kraftfrei sind.
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3 zeigt die Kupplungsvorrichtung in einer Knickstellung der Wagenkästen, bei der die Lagerböcke 1, 2 in einem spitzen Winkel zueinander stehen. Wie aus 4 hervorgeht, sind in einer solchen Knickstellung die elastischen Elemente 12 teilweise gestaucht. Die Kuppelstange 4 ist jeweils gegenüber den Lagerböcken 1, 2 ausgelenkt. Der Koppelrahmen 7 folgt im Wesentlichen der Bewegung des Lagerbocks 2 und steht daher in etwa demselben Winkel zum Lagerbock 1 wie der Lagerbock 2. Das Gelenk 11 zwischen dem Koppelrahmen 7 und dem Anbindungsabschnitt 3 des Lagerbocks 1 erlaubt die Schwenkbewegung des Koppelrahmens 7 gegenüber dem Lagerbock 1, während an den Einzelgelenken 9.1, 9.2 allenfalls eine geringe Auslenkung zu beobachten ist. Eine bestimmte Aufteilung der Beweglichkeiten ist funktional nicht erforderlich. Das dargestellte Ausführungsbeispiel nutzt jedoch die große Winkelbeweglichkeit des Knickgelenks 11 als echtes Gelenk, so dass die Koppelgelenke 9.1, 9.2, die als Gummigelenke wesentlich empfindlicher gegen häufige große Auslenkungen sind, nur die Längsfederung der Kuppelstange abdecken müssen.
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Die 5 und 6 veranschaulichen zwei Stellungen der Kupplungsvorrichtung mit verschieden ausgeprägtem vermindertem Horizontalabstand zwischen den Wagenkästen. In 5 ist der Abstand zwischen den Wagenkästen gegenüber der Stellung der Kupplungsvorrichtung in 1 geringfügig vermindert. Es ist ersichtlich, dass die Winkellage der Kuppelstange 4 grundsätzlich ungeändert ist, die jeweils in Richtung Koppelrahmen 7 liegenden elastischen Elemente 12 jedoch gestaucht werden, während die außen liegenden elastischen Elemente 12 von ihren Anlageflächen gegenüber dem Lagerbock 2 bzw. dem entsprechenden Abschnitt der irreversiblen Energieabsorbereinrichtung 12 abgelöst sind. Der entstehende Hub im Bereich der elastischen Elemente 12 setzt sich fort in eine durch das Gelenk 11 ermöglichte Schwenkbewegung des Koppelrahmens 7 gegenüber dem Lagerbock 1.
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Die Stellung der Kupplungsvorrichtung in 6 unterscheidet sich in derjenigen in 5 lediglich dadurch, dass die beiden Wagenkästen noch näher zueinander stehen.
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Eine Beweglichkeit des Koppelrahmens 7 in den Lagern 11 und 9.1, 9.2 ist so dimensioniert, dass der Hub der elastischen Elemente 12 abgedeckt ist. Soweit umsetzbar, soll auch der irreversible Hub der Energieabsorbereinrichtung 13 abgedeckt sein. Falls die Beweglichkeit des Koppelrahmens 7 nicht die Summe aus dem Hub des reversiblen Energieverzehrelements 12 und der Energieabsorbereinrichtung 13 abdecken sollte, kann in den verbindenden Elementen eine zusätzliche Nachgiebigkeit vorgesehen werden. Bei den verbindenden Elementen handelt es sich um die Kraftübertragungskette von dem Lagerbock 1 (irreversible Energieverzehreinrichtung 13) aus über das Gelenk 10, den Koppelrahmen 7, die Einzelgelenke 9.1, 9.2 und den Lagerbock 2.
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Der Koppelrahmen 7 und seine Lager 9.1, 9.2, 10 ermöglichen sowohl eine seitliche Verschiebbarkeit, also Querbewegung der Wagenkästen zueinander, als auch Knick- und Wankbewegungen der Wagenkästen relativ zueinander.
