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Die Erfindung betrifft eine kinematische Kopplung, insbesondere eine kinematische Kopplung zweier Wagenkästen eines mehrgliedrigen Schienenfahrzeugs, zwischen denen sich ein Zwischenwagenkasten befindet, sowie ein Verfahren zur Kopplung von Wagensegmenten mittels einer solchen kinematischen Kopplung.
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Bei mehrgliedrigen Schienenfahrzeugen ist es zur Vermeidung großen Längenbedarfs für Knautschzonen üblich, die zum Durchfahren von Kurven ohnehin notwendigen Bewegungsfreiräume zwischen den gelenkig verbundenen einzelnen Wagenkästen mehrgliedriger Schienenfahrzeuge für energieabsorbierende Verformung zu nutzen. Problematisch ist hierbei die Abstimmung der Knautschzonenkräfte bei einer Abfolge von Wagen deutlich unterschiedlicher Massen im Zugverband. Zur effektiven Abbremsung der schweren Wagen auf dem verfügbaren Verformungsweg sind hohe Kräfte nötig, die als Reaktion zwangsläufig auch über die dazwischen liegenden leichteren Wegen hinweg geführt werden müssen. Werden zu beiden Seiten der leichten Wagen voneinander unabhängige Knautschzonen (Crashelemente) angeordnet, besteht also das Problem, dass deren Kraftniveau sehr hoch ist gegenüber der Masse der Wagen. Bereits anteilig kleine Differenzen der Knautschkräfte auf beiden Seiten führen so zu inakzeptablen Beschleunigungen.
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Eine hinreichend präzise und schwankungsarme Abstimmung der Charakteristiken der Crashelemente ist nur begrenzt und mit hohem Aufwand möglich.
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Bisher ausgeführte Fahrzeuge aus dem Vollbahnbereich haben typischerweise ähnlich große Massen und relativ lange Wagenkästen, so dass die oben aufgeführte Problematik nicht auftritt. Übergangsbrücken zwischen den Fahrzeugsegmenten haben zwar eine vergleichsweise sehr geringe Masse, gelten jedoch nicht als besetzte Wagenkästen, auf die die strengen Grenzwerte für Beschleunigungen anzuwenden sind.
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Wesentlich verbreiteter sind vielgliedrige Fahrzeugkonzepte im Bereich der Straßenbahnen. Dort ist jedoch aufgrund der viel geringeren Kollisionsenergien eine gezielte Energieaufnahme an den Gelenken verzichtbar.
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Relevant wird die oben aufgeführte Problematik also bei innovativen Konzepten im Vollbahnbereich, wenn etwa Fahrzeugverbindungseinrichtungen so erweitert werden, dass sie als eigene, besetzte Wagenkästen zu betrachten sind.
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Die Aufgabe besteht also darin, eine Kopplung der Wagensegmente mehrgliedriger Schienenfahrzeuge zur Verfügung zu stellen, bei der auf eine präzise und schwankungsarme Abstimmung der Charakteristiken der Crashelemente zu beiden Seiten leichterer Wagensegmente verzichtet werden kann. Eine weitere Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zur Kopplung von Wagensegmenten mehrgliedriger Schienenfahrzeuge mittels einer solchen Kopplung zur Verfügung zu stellen.
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Diese Aufgaben werden mit der kinematischen Kopplung sowie dem Verfahren zur Kopplung mittels einer kinematischen Kopplung gemäß den Patentansprüchen gelöst.
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Ein Aspekt der Erfindung betrifft eine kinematische Kopplung, die ein erstes Gehäuseteil mit einer ersten Anbindungseinrichtung zur Anbindung an einen ersten Wagen und ein zweites Gehäuseteil mit einer zweiten Anbindungseinrichtung zur Anbindung an einen zweiten Wagen aufweist. Weiterhin weist die erfindungsgemäße kinematische Kopplung ein oder mehrere erste Zugbänder mit jeweils einem ersten Ende und einem zweiten Ende auf und umfasst eine Hülse zur Anbindung eines Wagenkastens, vorzugsweise eines Zwischenwagenkastens. Dabei ist die Hülse in einer Längsrichtung des ersten Gehäuseteils gegenüber dem ersten Gehäuseteil und in einer Längsrichtung des zweiten Gehäuseteils gegenüber dem zweiten Gehäuseteil verschiebbar. Die Gehäuseteile sind miteinander verbunden und gegeneinander um einen vordefinierten nominellen Hubweg verschiebbar. Jedes der ersten Zugbänder ist mit dem ersten Ende am ersten Gehäuseteil und mit dem zweiten Ende am zweiten Gehäuseteil angebunden und in einer Biegung um die Hülse herumgeführt ist.
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Wenn der Hubweg (also die Strecke, um die zwei Bauelemente A und B gegeneinander verschoben werden können oder anders formuliert: A relativ zu B verschoben werden kann) durch mehrere Komponenten beeinflusst wird, ist der nominelle Hubweg diejenige Strecke, um die sich A und B bei einem Zusammenspiel dieser mehreren Komponenten maximal gegeneinander verschieben lassen. Da hier nur die Verschiebung eines ersten Gehäuseteils gegenüber einem zweiten Gehäuseteil betrachtet wird, ist die Strecke, um die die das erste Gehäuseteil relativ zum zweiten Gehäuseteil maximal verschiebbar ist, der nominelle Hubweg der kinematischen Kopplung.
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Die Begriffe „Anbinden“ oder „Anbindung“ sollen hier und im Folgen den insbesondere auch eine „Befestigung“, eine „Anbringung“ oder eine „Montage“ umfassen.
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In einer Ausführungsform der kinematischen Kopplung befindet sich für jedes der ersten Zugbänder die Position der Anbindung an das erste Gehäuseteil und die Position der Anbindung an das zweite Gehäuseteil mit Bezug auf die Längsrichtung des zweiten Gehäuseteils zwischen der Hülse und der zweiten Anbindungseinrichtung.
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In einer Ausführungsform weist die kinematische Kopplung weiterhin ein oder mehrere zweite Zugbänder mit jeweils einem ersten Ende und einem zweiten Ende auf, wobei jedes der zweiten Zugbänder mit dem ersten Ende am zweiten Gehäuseteil und mit dem zweiten Ende am ersten Gehäuseteil angebunden ist und in einer Biegung um die Hülse herumgeführt ist. Dabei befindet sich für jedes der zweiten Zugbänder die Position der Anbindung an das erste Gehäuseteil und die Position der Anbindung an das zweite Gehäuseteil mit Bezug auf die Längsrichtung des ersten Gehäuseteils zwischen der Hülse und der ersten Anbindungseinrichtung.
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Vorteilhaft werden in der kinematischen Kopplung genau zwei erste Zugbänder mit gleichem Querschnitt verwendet, die bei der Herumführung um die Hülse voneinander beabstandet sind, sowie genau ein zweites Zugband, das bei der Herumführung um die Hülse mittig durch die beiden ersten Zugbänder hindurchgeführt wird.
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In einer Ausführungsform der kinematischen Kopplung wird mindestens ein Zugband in einer im Wesentlichen halbkreisförmigen Biegung um die Hülse herumgeführt. Vorteilhaft verläuft diese Herumführung um die Hülse um einen vordefinierten Mittelpunktswinkel auf einem Kreisbogen. Dabei weist der Kreisbogen vorzugsweise einen Mittelpunktswinkel zwischen 145° und 200°, mehr bevorzugt zwischen 160° und 190°, meist bevorzugt zwischen 170° und 185° auf. Der Mittelpunktswinkel kann 180° aufweisen; in diesem Fall wird das Zugband genau halbkreisförmig um die Hülse geführt.
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In einer Ausführungsform der kinematischen Kopplung ist für jedes der Zugbänder, dessen freie Länge in der Ausgangslage so bemessen ist, dass (sich) das Zugband während des gesamten nominellen Hubs zwischen den Gehäuseteilen um die Hülse herumwickeln kann oder herumgeführt wird und vorzugsweise nach Verschieben der Gehäuseteile gegeneinander um den gesamten nominellen Hubweg, die Hülse um etwa den halben Hubweg gegenüber jedem der Gehäuseteile verschoben worden ist.
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Als „Ausgangslage“ oder „Ausgangsposition“ sei hier eine Anordnung der Kopplungselemente, insbesondere des ersten und zweiten Gehäuseteils, verstanden, bei der die Anbindungseinrichtung des ersten Gehäuseteils zur Anbindung an einen ersten Wagen und die Anbindungseinrichtung des zweiten Gehäuseteils zur Anbindung an einen zweiten Wagen um einen vordefinierten Abstand voneinander entfernt sind, wobei der vordefinierte Abstand vorzugsweise der maximale Abstand zwischen erster und zweiter Anbindungseinrichtung ist, den die kinematische Kopplung erlaubt.
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Ferner sei als „freie Länge“ eines Zugbands diejenige Strecke bezeichnet, der sich in der Ausgangslage als Abstand zwischen dem Aufliegen des Zugbands an der Hülse und der Anbindung des Zugbands an demjenigen Gehäuseteil ergibt, zu dem sich in der Ausgangslage der längere Abstand zwischen Aufliegen des Zugbands an der Hülse und Anbindung an das Gehäuseteil ergibt.
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In einer Ausführungsform der kinematischen Kopplung ist mindestens ein Zugband so konfiguriert und/oder der Radius, auf dem das Zugband um die Hülse herumgeführt wird, so dimensioniert, dass ein wesentlicher Anteil der Verformung beim Wickeln des Zugbands um die Hülse während der Verschiebung der Gehäuseteile gegeneinander als Plastifizierung erfolgt.
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In einer Ausführungsform der kinematischen Kopplung ist mindestens eines der ersten Zugbänder aus verlängertem Material, vorzugsweise Blech, des zweiten Gehäuseteils gebildet und/oder mindestens eines der zweiten Zugbänder ist aus verlängertem Material, vorzugsweise Blech, des ersten Gehäuseteils gebildet.
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In einer Ausführungsform der kinematischen Kopplung ist/sind eines oder mehrere der ersten Zugbänder jeweils an zumindest einem Ende mit dem Gehäuseteil, mit dem dieses Ende verbunden ist, verschweißt.
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In einer Ausführungsform der kinematischen Kopplung ist/sind eines oder mehrere der zweiten Zugbänder jeweils an zumindest einem Ende mit dem Gehäuseteil, mit dem dieses Ende verbunden ist, verschweißt.
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In einer Ausführungsform der kinematischen Kopplung ist mindestens ein Zugband an zumindest einem seiner Enden mit dem Gehäuseteil, mit dem dieses Ende verbunden ist, lösbar verbunden.
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In einer Ausführungsform der kinematischen Kopplung ist jedes der ersten Zugbänder jeweils mit seinem ersten Ende permanent am zweiten Gehäuseteil befestigt und mit seinem zweiten Ende über einen Mitnahmenocken mit dem ersten Gehäuseteil verbunden. Diese Verbindung ist vorzugsweise formschlüssig. Ferner kann, sofern zweite Zugbänder existieren, jedes der zweiten Zugbänder jeweils mit seinem ersten Ende permanent am zweiten Gehäuseteil befestigt sein und mit seinem zweiten Ende über einen gesteckten Bolzen mit dem ersten Gehäuseteil verbunden sein.
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In einer Ausführungsform der kinematischen Kopplung erfolgt die Anbindung des Wagenkastens, vorzugsweise eines Zwischenwagenkastens, an die Hülse über einen Mitnahmebolzen. Dabei ist diese Anbindung vorzugsweise formschlüssig ausgestaltet.
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In einer Ausführungsform weist die kinematische Kopplung ferner eine Einrichtung zum irreversiblen Energieverzehr auf, vorzugsweise einem Energieabsorber. Dabei ist beispielsweise die Einrichtung zum irreversiblen Energieverzehr im ersten Gehäuseteil angeordnet, und das zweite Gehäuseteil stützt sich über eine Druckstange auf die Einrichtung zum irreversiblen Energieverzehr ab.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur kinematischen Kopplung, wobei die Kopplung aufweist: ein erstes Gehäuseteil mit einer ersten Anbindungseinrichtung zur Anbindung an einen ersten Wagen; ein zweites Gehäuseteil mit einer zweiten Anbindungseinrichtung zur Anbindung an einen zweiten Wagen; ein oder mehrere Zugbänder; und eine Hülse zur Anbindung eines Wagenkastens. Dabei ist die Hülse in einer Längsrichtung des ersten Gehäuseteils gegenüber dem ersten Gehäuseteil und in einer Längsrichtung des zweiten Gehäuseteils gegenüber dem zweiten Gehäuseteil verschiebbar, und die Gehäuseteile sind miteinander verbunden und gegeneinander um einen vordefinierten nominellen Hubweg verschiebbar. Dabei weist jedes der Zugbänder zwei Enden auf und ist mit einem Ende am ersten Gehäuseteil und mit dem anderen Ende am zweiten Gehäuseteil angebunden ist und in einer Biegung um die Hülse herumgeführt. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren verschieben sich das erste Gehäuseteil und das zweite Gehäuseteil aus einer Ausgangsposition heraus bis zu maximal um den vordefinierten nominellen Hubweg gegeneinander, wobei die Zugbänder beim Herumziehen um die Hülse verformt werden, und wobei sich bei einer Verschiebung des ersten Gehäuseteils um eine Strecke s in Bezug auf die Ausgangsposition gegenüber dem zweiten Gehäuseteil die Hülse um die halbe Strecke, also um s/2, gegenüber jedem der Gehäuseteile verschiebt. Der Begriff „Ausgangsposition“ wird hier gemäß der oben angegebenen Definition verwendet.
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Die erfindungsgemäße kinematische Kopplung und das erfindungsgemäße Verfahren zur kinematischen Kopplung hat den Vorteil, dass eine Begrenzung der Beschleunigungen des - gegebenenfalls leichten - Zwischenwagenkastens nicht durch eine Abstimmung der Verzögerungskräfte, sondern durch eine kinematische Kopplung mit den beiden angrenzenden schwereren Wagen realisiert wird.
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Insbesondere sind zwei an einen (Zwischen-)Wagenkasten angrenzenden Wagen (erstes und zweites Gehäuseteil) starr oder über reversibel elastische Elemente an ein erstes bzw. zweites Gehäuseteil der Vorrichtung angebunden. Auf diese Weise kann der gesamte irreversible energieverzehrende Hub als Verschiebung der Gehäuseteile aufeinander zu bzw. ineinander hinein abgebildet werden.
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Der Vorteil einer kinematischen Steuerung der Position eines leichten (Zwischen-)Wagenkastens zwischen zwei schweren Wagen (Gehäuseteilen) im Fall einer Kollision ist, dass damit die Beschleunigungen des leichten Wagenkastens inhärent auf das Niveau der schweren Wagen begrenzt werden. Eine präzise und schwankungsarme Abstimmung von Crashelementen ist nicht nötig.
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Das Prinzip der Weghalbierung über umschlingende Zugmittel ist z. B. von teleskopierbaren Feuerwehrleitern bekannt. Dort ist an einem ersten und einem dritten Leitersegment jeweils ein Seil befestigt, das an einer am zweiten Segment befestigten Rolle um 180° umgelenkt wird. Mit dieser Kopplung wird bewirkt, dass sich das zweite Segment gegenüber dem ersten um halben Weg bewegt wie das dritte gegenüber dem ersten, bzw. benachbarte Segmente sich jeweils zueinander um den gleichen Weg bewegen. Typischerweise erfolgt der Antrieb über hydraulische Zylinder zwischen dem ersten und dem zweiten Segment der Leiter, während Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Kopplung die Anordnung eines - im Beispiel der beschriebenen Feuerwehrleiter dem Antrieb entsprechenden - Energieabsorbers zwischen dem ersten (1) und zweiten Gehäuseteil (2) - dem ersten und dritten Leitersegment entsprechend - ermöglichen.
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Bei der erfindungsgemäßen kinematischen Kopplung werden als Zugbänder jedoch keine Seile verwendet werden, sondern Vollquerschnitte aus duktilem Material, bei denen vorzugsweise eine überwiegend plastische Biegung vorgesehen ist (funktional nicht notwendig, aber akzeptiert). Der Vorteil ist, dass sich die Vollquerschnitte ohne voluminöse Übergangskonstruktionen (z. B. Ösen und Seilklemmen) an die Struktur der Gehäuseteile anbinden lassen.
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Die Erfindung erlaubt somit insbesondere eine fertigungs- und nachweissichere Kombination von Wagenkastensegmenten von stark unterschiedlichem Gewicht in einem effizient crashgerecht ausgelegten Zugverband.
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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 zeigt einen Längsschnitt durch die erfindungsgemäße kinematische Kopplung in einer Ausgangsposition,
- 2 zeigt eine Draufsicht auf die erfindungsgemäße kinematische Kopplung in einer Ausgangsposition,
- 3 zeigt einen Querschnitt durch die erfindungsgemäße kinematische Kopplung in einer Ausgangsposition,
- 4 zeigt einen Längsschnitt durch die erfindungsgemäße kinematische Kopplung bei Verschiebung der Gehäuseteile gegeneinander um etwa den halben Hubweg,
- 5 zeigt eine Draufsicht auf die erfindungsgemäße kinematische Kopplung bei Verschiebung der Gehäuseteile gegeneinander um etwa den halben Hubweg, und
- 6 zeigt einen Querschnitt durch die erfindungsgemäße kinematische Kopplung bei Verschiebung der Gehäuseteile gegeneinander um etwa den halben Hubweg.
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Die 1 bis 3 zeigen beispielhaft eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen kinematischen Kopplung in der Ausgangsposition. Das erste Gehäuseteil 1 (rechts in den Figuren) und das zweite Gehäuseteil 2 (links in den Figuren) sind jeweils an einen Wagen anbindbar und über eine Hülse 5 (Zwischenhülse) miteinander verbunden. Die Hülse 5 ist zu einem Mitnahmebolzen 6 ausgeformt, an dem ein Zwischenwagen (nicht gezeigt) befestigt werden kann.
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3 zeigt auf der Seite des zweiten Gehäuseteils (links in der Figur) ein erstes Zugband 7, das mit einem Ende am zweiten Gehäuseteil 2 fest verbunden ist, um die Hülse 5 in einer Biegung um einen Winkel von etwas weniger als 180° herumgeführt wird und schließlich am ersten Gehäuseteil 1 (rechts in der Figur) mittels eines Mitnahmenockens 9 formschlüssig befestigt ist. Da die Verbindung des ersten Zugbands 7 mit dem ersten Gehäuseteil 1 auf Druck belastet ist (die Gehäuseteile bewegen sich bei Belastung aufeinander zu), genügt hier die Befestigung über den Mitnahmenocken 9. Die „freie Länge“ des ersten Zugbands 7 ist hier die Strecke zwischen dessen Anliegen an der Hülse 5 und seiner Befestigung am zweiten Gehäuseteil 2.
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Auf der Seite des ersten Gehäuseteils (rechts in der Figur) befindet sich ein zweites Zugband 8, das mit einem Ende am ersten Gehäuseteil 2 fest verbunden ist, um die Hülse 5 in einer Biegung um einen Winkel von etwas weniger als 180° herumgeführt wird und schließlich am ersten Gehäuseteil 1 mittels einer Bolzenverbindung 10 befestigt ist. Da die Verbindung zwischen dem zweiten Zugband 8 und dem ersten Gehäuse 1 in der Montagerichtung auf Zug belastet ist, ist sie über eine Bolzenverbindung 10 realisiert. Die „freie Länge“ des zweiten Zugbands 8 ist hier die Strecke zwischen dessen Anliegen an der Hülse 5 und seiner Befestigung am ersten Gehäuseteil 1.
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Die Gehäuseteile 1 und 2 weisen jeweils Schlitze gleicher Länge auf. Die Hülse 5 ist innerhalb der beiden Schlitze bewegbar. Die Hülse 5 ist in den Schlitzen jeweils um die Schlitzlänge abzüglich des Durchmessers der Hülse verschiebbar; die resultierende Länge (Schlitzlänge minus Hülsendurchmesser) entspricht somit der Hälfte des vordefinierten nominellen Hubwegs der kinematischen Kopplung.
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Im gezeigten Beispiel ist in das erste Gehäuseteil 1 eine Vorrichtung zum irreversiblen Energieverzehr, realisiert mittels eines Energieabsorbers 3, integriert.
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Die 4 bis 6 zeigen die kinematische Kopplung der 1 bis 3 in jeweils entsprechender Ansicht, jedoch nicht in der Ausgangslage, sondern nachdem durch eine Belastung der Kopplung das erste Gehäuseteil 1 in Richtung des zweiten Gehäuseteils 2 um etwa den halben nominellen Hubweg verschoben worden ist (die Schlitze der beiden Gehäuseteile überdecken sich ungefähr). Die Hülse 5 ist dadurch um etwa ein Viertel des vordefinierten nominellen Hubwegs (d. h. um etwa die Hälfte der aktuellen Verschiebung der beiden Gehäuseteile aus der Ausgangslage gegeneinander) verschoben worden.
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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
- erstes Gehäuseteil
- 2
- zweites Gehäuseteil
- 3
- irreversibler Energieverzehr
- 4
- Druckstange
- 5
- Hülse
- 6
- Mitnahmebolzen
- 7
- erste Zugbänder
- 8
- zweite Zugbänder
- 9
- Mitnahmenocken
- 10
- Bolzen
