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Die Erfindung betrifft eine Verbindungseinrichtung zur Verbindung von Wagenkästen eines Schienenfahrzeugs sowie einen Wagenkasten umfassend ein Wagenkastengehäuse und mindestens eine mit dem Wagenkastengehäuse verbundene derartige Verbindungseinrichtung.
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Derartige Verbindungseinrichtungen dienen der Befestigung von Komponenten (z. B. kurze Wagenkästen oder Wagenkastenkomponenten) eines Schienenfahrzeugs, die in Längsrichtung zwischen den beiden angrenzenden Wagenkästen angeordnet sind, zu diesen beiden jedoch aufgrund der während des normalen Fahrbetriebs, etwa bei Kurvenfahrten, auftretenden Relativbewegungen beabstandet bleiben müssen.
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Die Längsrichtung bezeichnet hier und im Rest der Anmeldung die Richtung entlang der Schienen bzw. die Bewegungsrichtung des Schienenfahrzeugs. Entsprechend bezeichnet die Querrichtung die Richtungen senkrecht zur Längsrichtung.
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Es ist üblich, den gesamten zwischen den Wagenkästen verfügbaren Weg in Längsrichtung (ausgenommen bei extremen Kurvenfahrten) zu Energieabsorption zu nutzen. Wenn die zwischen den Wagenkästen liegenden Komponenten in Längsrichtung fest an einem der Wagenkästen bzw. Teilen der Verbindungseinrichtung angebunden werden, steht der für die Beweglichkeit vorgehaltene Abstand nicht als Längshub zur Energieabsorption zur Verfügung.
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Die Energieabsorption bei einer Kollision erfolgt oftmals über separate Federungssysteme, die jedoch schwierig so einzurichten sind, dass sie bei einer bestimmten Druckkraft sofort und kontrolliert Wirkung zeigen. Häufig sind an bekannten Verbindungseinrichtungen (z. B. Kuppelstangen) kleinere Halter für Kabelführungen, Anschlagpuffer, Zentriereinrichtungen oder Übergangsbrücken befestigt. Diese Bauteile widersprechen zwar in ihrer nominalen Lage dem vorgesehenen Hub des Energieabsorbers, sind jedoch in der Festigkeit der Anbindung oder ihrer eigenen Struktur so schwach, dass sie keinen nennenswerten zusätzlichen Widerstand verursachen.
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Problematisch hingegen sind Fahrwerke und/oder Wagensegmente von vollem Querschnitt, die aufgrund ihrer Masse und sonstiger einwirkender Kräfte nicht triviale Belastungen auf die Längsanbindung ausüben. Bisher ausgeführte Gliederzüge haben daher für jeden einzelnen Zwischenraum zwischen den Wagenkastensegmenten einen separaten Energieabsorber (NS Sprinter LT, Mireo) bzw. verzichten teilweise (Talent 2, FLIRT) oder vollständig (TGV) auf gezielte Energieabsorption im Zugverband des Schienenfahrzeugs.
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Gerade für kleinere Kollisionen, beispielsweise bei einer Notbremsung eines Güterzugs, ist es jedoch wünschenswert, Schäden auf leicht austauschbare und möglichst wenige Teile eines Wagenkastens zu beschränken, um eine schnelle und kostengünstige Reparatur zu ermöglichen.
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Die Aufgabe besteht darin, eine Verbindungseinrichtung zur Verbindung von Wagenkästen eines Schienenfahrzeugs mit einer verbesserten Energieabsorption bei einer Kollision zur Verfügung zu stellen.
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Erfindungsgemäß wird eine Verbindungseinrichtung der eingangs genannten Art zur Verfügung gestellt, umfassend:
- - ein Außengehäuse,
- - ein Innengehäuse,
- - einen mit dem Außengehäuse und dem Innengehäuse verbundenen Energieabsorber, und
- - eine Mitnahmeeinrichtung zur Verbindung der Verbindungseinrichtung mit einem Wagenkastengehäuse eines Wagenkastens,
- - wobei das Außengehäuse, das Innengehäuse und der Energieabsorber im Wesentlichen entlang einer gemeinsamen Längsachse angeordnet sind, und
- - wobei die Verbindungseinrichtung dazu eingerichtet ist, Zugkräfte und Druckkräfte entlang der Längsachse zu übertragen, und
- - wobei der Energieabsorber dazu eingerichtet ist, sich bei einem Überschreiten einer vorbestimmten Druckkraft entlang der Längsachse irreversibel zu verformen, sodass sich die Länge der Verbindungseinrichtung entlang der Längsachse reduziert und sich das Innengehäuse teilweise in das Außengehäuse schiebt.
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Die Wagenkästen mehrgliedriger Schienenfahrzeuge können mit einer solchen Lösung über eine Anordnung von Außengehäuse und Innengehäuse verbunden werden, wobei bei einer Kollision Energie über den Energieabsorber durch irreversible Verformung absorbiert wird. Bei Überschreiten einer vorbestimmten Druckkraft (Ansprechkraft) bewegen sich das Innengehäuse und das Außengehäuse aufeinander zu bzw. ineinander hinein, sodass sich die Länge der Verbindungseinrichtung verkürzt und mittels der durch die dem Energieabsorber aufgeprägten Kraft Energie absorbiert wird. In einem gewissen Rahmen können so die Schäden bei einer Kollision auf die Verbindungseinrichtung begrenzt bleiben, was eine Reparatur deutlich erleichtert. Die Mitnahmeeinrichtung ist als eine formschlüssige Verbindung zur Übertragung von Zugkräften zwischen dem Innengehäuse und dem Außengehäuse vorgesehen. Die Mitnahmeeinrichtung ist vorzugsweise mit dem Innengehäuse und dem Außengehäuse zugfest verbunden, jedoch nicht druckfest verbunden. Die Mitnahmeeinrichtung kann als rotationssymmetrische Hülse ausgebildet sein, die vorzugsweise in Querrichtung verläuft.
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Die Erfindung nutzt eine Bauform einer energieabsorbierenden Verbindungseinrichtung, bei der der Energieabsorber, der selbst nur Druckkräfte übertragen kann, so zwischen Innengehäuse und Außengehäuse vorgespannt verbaut ist, dass im gesamten Bereich der im normalen Betrieb auftretenden Zug- und Druckkräfte eine spielfreie Anlage gewährleistet ist. Das Innengehäuse und das Außengehäuse können dann so ausgebildet sein, dass Zugkräfte zwischen ihnen formschlüssig übertragen werden können.
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Die Verbindungseinrichtung kann auch zusätzlich elastische Federungen umfassen, die Druckkräfte unterhalb der vorbestimmten Druckkraft abfedern können. Erst wenn diese Federungen voll komprimiert sind und starr werden, kommt es zu einer irreversiblen Verformung im Energieabsorber.
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Vorzugsweise umfasst der Energieabsorber eine Energieabsorptionshülse und eine Druckstange, wobei die Druckstange und die Energieabsorptionshülse so eingerichtet sind, dass sich die Druckstange beim Überschreiten der vorbestimmten Druckkraft in die Energieabsorptionshülse einschiebt und diese irreversibel verformt. Die Druckstange und die Energieabsorptionshülse können sich entlang der Längsachse erstecken und im Ruhezustand der Verbindungseinrichtung an einander zugewandten Stirnseiten formschlüssig anliegen. Die Energieabsorptionshülse kann in Längsrichtung einen Verformungsabschnitt und einen Rückabschnitt umfassen, wobei vorzugsweise lediglich der Verformungsabschnitt durch die Druckstange zur kontrollierten, irreversiblen Verformung eingerichtet ist.
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Es ist bevorzugt, wenn an einem axialen Ende der Druckstange ein Druckring angeordnet ist, der beim Einschieben der Druckstange in die Energieabsorptionshülse die Energieabsorptionshülse radial entlang der Längsachse aufweitet. Die Druckkraft kann dann vom Innengehäuse über die Druckstange auf den Druckring aufgebracht werden. Damit wird eine konstante Bremskraft und Energieabsorption bereitgestellt. Der Druckring kann eine größere radiale Dicke als die Energieabsorptionshülle aufweisen. Die Energieabsorptionshülle kann dazu in einem Verformungsabschnitt einen geringeren Außenradius aufweisen als in einem Rückabschnitt. Die Verbindungseinrichtung kann in Längsrichtung auf Höhe des Verformungsabschnitts einen, vorzugsweise zylinderringförmigen, Hohlraum aufweisen, in dem der Verformungsabschnitt aufgeweitet werden kann. Es sind unter Beibehaltung des Prinzips der Verspannung auch andere geometrische Anordnungen oder andere Wirkprinzipien des Energieabsorbers (z. B. Falten oder Zerspanen während der irreversiblen Verformung) denkbar.
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Vorzugsweise weist der Druckring einen konisch in Längsrichtung zulaufenden Querschnitt auf; somit kann der Druckring in kontrollierter und gleichmäßiger Weise die Energieabsorptionshülle aufweiten. Die Gefahr eines Verkantens der Druckstange und der Energieabsorptionshülse und somit eines Versagens des Energieabsorbers wird reduziert.
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Vorzugsweise sind jeweils ein axiales Ende des Energieabsorbers und des Außengehäuses mit einem gemeinsamen Deckel verbunden. Zur Herstellung einer Verspannung können die auf die Verbindungseinrichtung wirkenden Zugkräfte über einen mit dem Außengehäuse verbundenen (z. B. verschraubten) Deckel in Druckkräfte auf den Energieabsorber umgelenkt werden. Der Deckel kann mit mehreren Schrauben an der Energieabsorptionshülse und dem Außengehäuse befestigt sein. Alternativ zu einem Deckel sind auch Ausführungsformen mit einer zentralen einzelnen Schraube oder Mutter zur Verbindung mit der Energieabsorptionshülse und dem Außengehäuse möglich.
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Es ist bevorzugt, wenn die Mitnahmeeinrichtung zumindest teilweise in einem Lastpfad der Zugkraftübertragung der Verbindungseinrichtung angeordnet ist. Im normalen Betrieb (unter Einwirkung einer Zugkraft) ist die Anbindung der Gehäuseteile über die Mitnahmeeinrichtung dann genauso belastbar wie eine durchgehende Verbindung zwischen den Gehäuseteilen, da sie voll im Kraftfluss liegt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Verbindungseinrichtung Funktionsflächen zur formschlüssigen Übertragung von Zugkräften zwischen dem Außengehäuse und dem Innengehäuse, wobei die Funktionsflächen als halbe Rotationszylinder im Außengehäuse und im Innengehäuse ausgebildet sind.
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In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Verbindungseinrichtung Funktionsflächen zur formschlüssigen Übertragung von Zugkräften zwischen dem Außengehäuse und dem Innengehäuse, wobei die Funktionsflächen als Langlöcher im Außengehäuse und im Innengehäuse ausgebildet sind, und wobei die Mitnahmeeinrichtung in beiden Langlöchern in Querrichtung geführt ist. Die Funktionsflächen können in dem Außengehäuse und dem Innengehäuse als Langlöcher angeordnet sein, die wenigstens so lang bemessen sind, dass sich die Mitnahmeeinrichtung bei einer irreversiblen Verformung um den halben nominellen Hub des Energieabsorbers in Längsrichtung darin bewegen kann. Die Funktionsflächen sind vorzugsweise an den Enden der Langlöcher angeordnet. Die Funktionsflächen verspannen so die Mitnahmeeinrichtung in Ausgangslage zwischen den Gehäuseteilen bzw. begrenzen diese im deformierten Zustand in ihrer Längsbewegung.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird auch durch einen Wagenkasten umfassend ein Wagenkastengehäuse und mindestens eine mit dem Wagenkastengehäuse verbundene Verbindungseinrichtung nach einer der vorstehenden Ausführungsformen gelöst. Der Wagenkasten kann hier und im Rahmen dieser Anmeldung ein kurzer Wagenkasten oder auch nur ein Wagenkastensegment sein.
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Vorzugsweise ist die Verbindungseinrichtung über die Mitnahmeeinrichtung mit dem Wagenkastengehäuse verbunden. Die Befestigung des Wagenkastengehäuses an der Mitnahmeeinrichtung kann formschlüssig über einen Mitnahmezapfen erfolgen.
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Mit der vorliegenden Erfindung wird die starre Zuordnung des an der Mitnahmeeinrichtung befestigten Wagenkastens zu einem der beiden durch den Energieabsorber verbundenen Wagenkästen aufgehoben. Im Falle der irreversiblen Verformung bei einer Kollision kann sich der Wagenkasten zwischen den angrenzenden Wagenkästen unabhängig von der Verformungskraft des Energieabsorbers bewegen, womit alle Freiräume in Längsrichtung für einen energieabsorbierenden Hub zur Verfügung stehen. Im normalen Betrieb dagegen ist die Anbindung an der Mitnahmeeinrichtung, da voll im Kraftfluss liegend, genauso belastbar wie eine bekannte durchgehende Verbindungseinrichtung.
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Die Erfindung erlaubt die Anordnung der Mitnahmeeinrichtung zur Anbindung im Kraftfluss der Verspannung des Energieabsorbers. Die Erfindung erlaubt die zuverlässige Realisierung vergleichsweise kurzer und leichter Wagenkästen(-segmente) eines mehrgliedrigen Schienenfahrzeugs bei optimaler Nutzung der funktional bedingten Bewegungsfreiräume für einen energieabsorbierenden Hub bei einer Kollision.
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Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:
- 1 eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Verbindungseinrichtung in gestreckter Position,
- 2 eine gegenüber 1 um 90° um die Längsachse gedrehte Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Verbindungseinrichtung in gestreckter Position,
- 3 eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Verbindungseinrichtung nach der irreversiblen Verformung des Energieabsorbers, und
- 4 eine gegenüber 3 um 90° um die Längsachse gedrehte Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Verbindungseinrichtung nach der irreversiblen Verformung des Energieabsorbers.
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Die 1 bis 4 zeigen dieselbe Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Verbindungseinrichtung 1. 1 und 2 zeigen die Verbindungseinrichtung 1 in gestreckter Position unter Zug, also im normalen Betrieb eines Schienenfahrzeugs. 3 und 4 zeigen die Verbindungseinrichtung 1 nach der irreversiblen Verformung des Energieabsorbers, also beispielsweise nach einer Kollision.
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Die Verbindungseinrichtung 1 umfasst ein Außengehäuse 2, ein Innengehäuse 3 und einen mit dem Außengehäuse 2 und dem Innengehäuse 3 verbundenen Energieabsorber 4. Das Außengehäuse 2, das Innengehäuse 3 und der Energieabsorber 4 sind im Wesentlichen entlang einer gemeinsamen Längsachse angeordnet (hier die Vertikale).
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Die Verbindungseinrichtung 1 ist dazu eingerichtet, Zugkräfte und Druckkräfte entlang der Längsachse zu übertragen. Der Energieabsorber 4 ist dazu eingerichtet, sich bei einem Überschreiten einer vorbestimmten Druckkraft entlang der Längsachse irreversibel zu verformen, sodass sich die Länge der Verbindungseinrichtung 1 entlang der Längsachse reduziert und sich das Innengehäuse 3 teilweise in das Außengehäuse 2 schiebt. Das Resultat dieser irreversiblen Verformung ist in den 3 und 4 dargestellt.
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Die Verbindungseinrichtung 1 kann auch zusätzlich elastische Federungen 5 umfassen, die Druckkräfte unterhalb der vorbestimmten Druckkraft abfedern können. Erst wenn diese Federungen 5 voll komprimiert sind und hart werden, kommt es zu einer irreversiblen Verformung im Energieabsorber 4. Die Federungen 5 sind hier als jeweils zwei elastische Federringe ausgebildet.
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In der dargestellten Ausführungsform umfasst der Energieabsorber 4 eine Energieabsorptionshülse 6 und eine Druckstange 7. Die Druckstange 7 und die Energieabsorptionshülse 6 sind so eingerichtet, dass sich die Druckstange 7 beim Überschreiten der vorbestimmten Druckkraft in die Energieabsorptionshülse 6 einschiebt und diese irreversibel verformt. Die Druckstange 7 und die Energieabsorptionshülse 6 können sich entlang der Längsachse erstecken und im Ruhezustand der Verbindungseinrichtung 1 an einander zugewandten Stirnseiten formschlüssig anliegen (siehe 2). In der dargestellten Ausführungsform umfasst die Energieabsorptionshülse 6 eine radiale Aufweitung in der die Druckstange 7 anliegt.
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Die Energieabsorptionshülse 6 umfasst in Längsrichtung einen Verformungsabschnitt 8 und einen Rückabschnitt 9, wobei vorzugsweise lediglich der Verformungsabschnitt 8 durch die Druckstange 7 zur kontrollierten, irreversiblen Verformung eingerichtet ist.
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An einem axialen Ende der Druckstange 7 ist ein Druckring 10 angeordnet, der beim Einschieben der Druckstange 7 in die Energieabsorptionshülse 6 die Energieabsorptionshülse 6 radial entlang der Längsachse aufweitet (vergleiche 2 und 4). Der Druckring kann einstückig mit der Druckstange 7 ausgebildet sein oder formschlüssig oder stoffschlüssig mit der Druckstange 7 verbunden sein. Die Druckkraft kann dann vom Innengehäuse 3 über die Druckstange 7 auf den Druckring 10 aufgebracht werden. Damit wird eine konstante Bremskraft und Energieabsorption bereitgestellt.
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Der Druckring 10 kann eine größere radiale Dicke als die Energieabsorptionshülle 6 aufweisen. Die Energieabsorptionshülle 6 kann dazu in dem Verformungsabschnitt 8 einen geringeren Außenradius aufweisen als in dem Rückabschnitt 9. Die Verbindungseinrichtung 1 kann in Längsrichtung auf Höhe des Verformungsabschnitts 8 einen, vorzugsweise zylinderringförmigen, Hohlraum 11 aufweisen, in dem der Verformungsabschnitt 8 aufgeweitet werden kann. Der Hohlraum 11 kann in Radialrichtung zwischen der Energieabsorptionshülle 6 und dem Außengehäuse 2 angeordnet sein.
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Der Druckring 10 weist einen konisch in Längsrichtung zulaufenden Querschnitt auf; somit kann der Druckring 10 in kontrollierter und gleichmäßiger Weise die Energieabsorptionshülle 6 aufweiten. Die Gefahr eines Verkantens der Druckstange 7 und der Energieabsorptionshülse 6 und somit eines Versagens des Energieabsorbers 4 wird reduziert.
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Axiale Enden des Energieabsorbers 4 und des Außengehäuses 2 sind mit einem gemeinsamen Deckel 12 verbunden. Der Deckel 12 kann mit mehreren Schrauben an der Energieabsorptionshülse 6 und dem Außengehäuse 2 befestigt sein.
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Die Verbindungseinrichtung 1 umfasst eine Mitnahmeeinrichtung 13 zur Verbindung der Verbindungseinrichtung 1 mit einem Wagenkastengehäuse eines Wagenkastens. Die Mitnahmeeinrichtung 13 ist als eine formschlüssige Verbindung zur Übertragung von Zugkräften zwischen dem Innengehäuse 3 und dem Außengehäuse 2 vorgesehen. Die Mitnahmeeinrichtung 13 ist mit dem Innengehäuse 3 und dem Außengehäuse 2 zugfest verbunden, jedoch nicht druckfest verbunden. Die Mitnahmeeinrichtung 13 ist hier als rotationssymmetrische Hülse ausgebildet, die vorzugsweise in Querrichtung senkrecht zur Längsrichtung verläuft. Die Befestigung der Verbindungseinrichtung 1 an einem Wagenkasten mittels der Mitnahmeeinrichtung 13 kann formschlüssig über einen Mitnahmezapfen 15 erfolgen.
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Die Verbindungseinrichtung 1 umfasst Funktionsflächen zur formschlüssigen Übertragung von Zugkräften zwischen dem Außengehäuse 2 und dem Innengehäuse 3, wobei die Funktionsflächen als Langlöcher 14 im Außengehäuse 2 und im Innengehäuse 3 ausgebildet sind. Die Mitnahmeeinrichtung 13 ist in beiden Langlöchern 14 in Querrichtung geführt.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Verbindungseinrichtung
- 2
- Außengehäuse
- 3
- Innengehäuse
- 4
- Energieabsorber
- 5
- Federungen
- 6
- Energieabsorptionshülse
- 7
- Druckstange
- 8
- Verformungsabschnitt
- 9
- Rückabschnitt
- 10
- Druckring
- 11
- Hohlraum
- 12
- Deckel
- 13
- Mitnahmeeinrichtung
- 14
- Langlöcher
- 15
- Mitnahmezapfen
