DE10255916A1

DE10255916A1 - Federelement zum Verspannen von Schienen für Schienenfahrzeuge

Info

Publication number: DE10255916A1
Application number: DE10255916A
Authority: DE
Inventors: Dirk Vorderbrueck; Helmut Eisenberg; Roland Buda
Original assignee: Vossloh Werke GmbH
Current assignee: Vossloh Werke GmbH
Priority date: 2001-11-30
Filing date: 2002-11-29
Publication date: 2003-11-06
Also published as: PE20030649A1; WO2003046285A3; TW200301793A; WO2003046285A2; AU2002365463A1; AR037475A1

Abstract

Die Erfindung stellt ein Federelement für die Befestigung von Schienen zur Verfügung, welches sich bei gleichbleibend hoher Robustheit und Langlebigkeit durch optimierte Gebrauchseigenschaften auszeichnet. Dazu ist bei einem erfindungsgemäßen Federelement der Querschnitt (Q) über den Verlauf der Gesamtlänge des Stahlmaterials an die im Betrieb örtlich jeweils auftretenden Belastungen angepasst. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Befestigungssystem und ein Verfahren, mit dem sich erfindungsgemäße Befestigungselemente einfach und präzise herstellen lassen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Federelement zum Verspannen von Schienen für Schienenfahrzeuge, insbesondere Eisenbahnschienen, auf einem Untergrund sowie ein System zur Befestigung von Schienen. Federelemente dieser Art werden üblicherweise aus Stahlmaterial hergestellt, welches in einem automatisierten Fertigungsvorgang in die für ihre Funktion optimale Form gebracht wird. Dabei weisen sie in der Regel einen Befestigungsabschnitt auf, über den sie mittels eines geeigneten Spannelements, beispielsweise einem Schraubenbolzen, mit dem Untergrund verspannt werden. An den Befestigungsabschnitt schließt sich in der Regel mindestens ein Stützabschnitt an, über den die elastische Haltekraft auf die Schiene ausgeübt wird.

So weist ein aus einem Federstahlstab hergestelltes, in der EP 1 116 827 A1 beschriebenes Federelement einen U-förmig gebogenen Befestigungsabschnitt auf, an dessen beiden Schenkel jeweils ein Stützabschnitt angeformt ist. Die Stützabschnitte sind dabei nach Art offener Schlaufen derart ausgebildet, dass ihr freies Ende unter Freibleiben eines Abstandes zwischen dem betreffenden Ende und dem Befestigungsabschnitt in dessen Richtung gekrümmt geformt sind. Der Abstand zwischen dem Befestigungsabschnitt und dem jeweiligen freien Ende der beiden schlaufenförmigen Stützabschnitte ist dabei so gewählt, dass er kleiner als der Querschnitt des Federelements ist. Dadurch wird ein Verhaken mehrerer baugleicher Federelemente zu langen Ketten in einem Vorratsbehälter verhindert. Die Entnahme einzelner Federelemente ist so deutlich gegenüber solchen ebenso bekannten Federelementen vereinfacht, bei denen die Gefahr des Verhakens und Verkettens besteht. Besonders günstig wirkt sich dies dann aus, wenn eine automatische Entnahme der fertigen Federelemente aus dem Vorrat durchgeführt werden soll. Allen bekannten Federelementen gemein ist allerdings der Nachteil, dass sie jeweils ein hohes Gewicht aufweisen und hinsichtlich ihres Verformungsverhaltens und Gewichts die sich in der Praxis stellenden Anforderungen jeweils nicht optimal erfüllen.

Unter dem Internet-Auftritt der Anmelderin, der derzeit unter der URL "http: / / www.vossloh-rail-systems.de/" zu finden ist, sind weitere Federelemente der in Rede stehenden Art beschrieben. Ihre Geometrien sind vom sich aus der jeweiligen Anwendung ergebenden Anforderungsprofil bestimmt. So stehen Wartungsfreiheit, Möglichkeit zur Vormontage im Schwellenwerk, automatische Gleisverlegung usw. im Vordergrund.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ausgehend vom voranstehend erläuterten Stand der Technik ein Befestigungselement zu schaffen, welches sich bei gleichbleibend hoher Robustheit und Langlebigkeit durch optimierte Gebrauchseigenschaften auszeichnet. Ebenso soll ein entsprechend ausgebildetes Befestigungssystem entworfen und ein Verfahren angegebenen werden, mit dem sich derartige Befestigungselemente einfach und präzise herstellen lassen.

Diese Aufgabe wird zuerst durch ein Federelement zum federnd elastischen Halten von Schienen auf einem Untergrund gelöst, dessen Querschnitt erfindungsgemäß über den Verlauf der Gesamtlänge des Materials, aus dem es hergestellt ist, an die im Betrieb örtlich jeweils auftretenden Belastungen angepasst ist.

Darüber hinaus wird die voranstehend genannte Aufgabe durch ein Befestigungssystem für Schienen gelöst, bei dem mittels eines erfindungsgemäß ausgebildeten Federelements eine elastische Haltekraft auf die Schiene ausgeübt wird, wobei das Federelement mittels eines Befestigungselements auf einem Untergrund verspannt ist. Das Befestigungselement kann in an sich bekannter Weise durch einen Schraubenbolzen oder einen Anschlag gebildet sein, gegen das das Federelement durch reine Klemmung verspannt ist.

Indem ein erfindungsgemäß ausgebildetes Federelement über die Längserstreckung seines Materials verteilt einen an die im Einsatz örtlich wirkenden Belastungen angepassten Querschnitt aufweist, wird einerseits erreicht, dass sich das Federelement bei Belastung in einer dem jeweiligen Belastungsfall optimaler Weise entsprechend verformt. Bei den Belastungen kann es sich um Kräfte handeln, die direkt durch die die jeweils gehaltenen Schiene befahrende Schienenfahrzeuge ausgeübt werden. Genauso zählen zu den Belastungen jedoch auch beim Überfahren der Schiene in dem Federelement ausgelöste Schwingungen, die zu erheblichen örtlichen Kräften führen können.

So ermöglicht es die Erfindung, die Massenverteilung über den Verlauf der Gesamtlänge des Federelements an seine Eigenschwingungsformen (Moden) so anzupassen, dass unter praktischen Einsatzbedingungen keine Resonanzüberhöhungen auftreten. Auch lässt sich die Massenverteilung im Schwingungsknoten der relevanten Eigenschwingungsform mittels Materialverfestigung durch ein geeignetes Bearbeitungsverfahren über eine Länge erhöhen, die bevorzugt ein Vielfaches, insbesondere Zweifaches des Durchmessers des Ausgangsmaterial beträgt, aus dem das jeweilige Element geformt ist. Ebenso kann im Schwingungsbauch der relevanten Eigenschwingungsform die Massenverteilung und/oder die Festigkeit des Materials durch eine geeignete Querschnittsanpassung so ausgebildet werden, dass das Auftreten übermäßiger Schwingungen sicher vermieden wird.

Insbesondere hochfrequente Eigenschwingungen können darüber hinaus dadurch vermieden werden, dass der Oberfläche der Federelemente mindestens abschnittweise Strukturen aufgeprägt werden, die beispielsweise Wellenform haben können.

Des weiteren kann es günstig sein, durch eine geeignete Verformungsbehandlung die Oberfläche der Federelemente zu verfestigen bzw. umzuformen.

Mit der Erfindung kann ein sicherer Halt der Schiene auch dann gewährleistet werden, wenn beispielsweise im Bereich von Gleisabschnitten, die von Zügen mit hoher Geschwindigkeit überfahren werden, eine bestimmte Nachgiebigkeit der Schiene gefordert wird, die beim Überfahren durch das Federelement ausgeglichen werden muss. Zum anderen kann dadurch, dass der Querschnitt nicht im wesentlichen konstant, sondern an die jeweilige Belastung angepasst ist, an den weniger belasteten Abschnitten Material eingespart werden bzw. solche Abschnitte, die eine besondere Elastizität oder ein besonderes Verformungsverhalten zeigen sollen, besonders dünn mit kleinem Querschnitt gestaltet werden. Auf diese Weise wird ein hocheffizienter Materialeinsatz bei minimiertem Gewicht und gleichzeitig optimierten Gebrauchseigenschaften eines erfindungsgemäßen Federelements erreicht.

Die Anpassung des Querschnitts an die örtlich wirkenden Belastungen bezieht sich dabei auf die Form und Erstreckung der Querschnittsfläche. So kann die Anpassung des Querschnitts beispielsweise dadurch erfolgen, dass sich seine Form über den Verlauf der Gesamtlänge des Materials des Federelements ändert. Diese Änderung kann dabei darin bestehen, dass beispielsweise ein an einer Stelle kreisrunder Querschnitt sich im weiteren Verlauf des Federelements in eine ellipsoide, ovale, tropfen- oder schalenförmige Form übergeht. Ebenso ist es denkbar, dass sich bei an sich gleich bleibender Form des Querschnitts dessen Durchmesser ändert. Darüber hinaus kann der Querschnitt sich in Breiten- oder Höhenrichtung der Querschnittsfläche über seinen Materialverlauf ändern.

Wesentlich ist gemäß der Erfindung jedoch stets, dass die Querschnittsform jeweils den örtlich auftretenden Belastungen und den konstruktiven Anforderungen, die an den jeweiligen Abschnitt gestellt werden, angepasst sind. Darüber hinaus sollten bei der Gestaltung eines erfindungsgemäßen Federelements auch die aus den bei der Montage und bei der Lagerung einer solchen Federklemme stellenden Anforderungen berücksichtigt werden. So kann es zweckmäßig sein, die Geometrie der erfindungsgemäßen Elemente so auszulegen, dass eine greiferoptimierte Form vorliegt, die sich auf einfache Weise automatisch montieren lässt. Dazu können insbesondere die freien Enden der Stützabschnitte geometrisch so ausgeformt sein, dass sich eine greiferoptimierte Form ergibt.

Der dem lokal im Betrieb jeweils wirkenden Belastungsprofil angepasste Querschnitt verleiht dem Federelement eine optimierte Belastbarkeit. Dabei können zur Dimensionierung des Querschnitts die örtlich jeweils wirksamen Spannungen, wie Vergleichs-, Biege- oder Torsionsspannung herangezogen werden. Ebenso können der jeweils erforderliche Federweg oder die beim Überfahren der gehaltenen Schiene auftretenden Schwingungsanregungen bei der Auslegung des Querschnitts der Federelemente berücksichtigt werden.

Den jeweils auftretenden Belastungen entsprechend kann der Querschnitt des Federelements sich stufenlos oder auch stufenartig ändern. Ein stufenloser Übergang der Abschnitte unterschiedlichen Querschnitts hat den Vorteil, dass Belastungsspitzen im Material im wesentlichen vollständig umgangen werden können. Ein stufenartiger, sprunghafter Wechsel des Querschnitts kann demgegenüber ein Verformungsverhalten festlegen, mit dem bestimmten Betriebssituationen in besonders guter Weise entsprochen werden kann. Auch lassen sich durch die Ausbildung ausgeprägter Absätze beispielsweise Anschläge für Befestigungs- oder andere Montagehilfen schaffen, die formschlüssig in Eingriff mit dem Federelement gebracht werden müssen.

Erfindungsgemäße Federelemente können in konventioneller Weise einen Befestigungsabschnitt, welcher in fertiger Montagestellung mit Befestigungselementen zusammenwirkt, und von dem Befestigungsabschnitt abgehende Stützabschnitte aufweisen, welche in fertiger Montagestellung eine elastische Haltekraft auf die Schiene ausüben. In solchen Fällen, in denen das Federelement einstückig aus einem Stabstahl gebogen ist, ist es dabei von Vorteil, wenn der Befestigungsabschnitt, wie an sich ebenfalls bekannt, U- förmig ausgebildet ist und die Stützabschnitte sich an die Schenkel des Befestigungsabschnittes anschließen.

Entsprechend seiner Anpassung an die jeweilige Befestigungsaufgabe und die im Betrieb auftretenden Belastungen kann ein erfindungsgemäßes Federelement im unmontierten Zustand eine komplexe, sich in mehrere Raumrichtungen erstreckende Form aufweisen. Ebenso ist es jedoch auch möglich, das Federelement plattenförmig auszubilden, so dass es sich im unmontierten Zustand im Wesentlichen eben erstreckt. Insbesondere letztere Ausgestaltung lässt sich besonders einfach durch Stanzen oder vergleichbare Herstellungsprozesse erzeugen. Anstelle einer aus Stabmaterial erfolgenden Fertigung des Stabmaterials ist es dementsprechend möglich, das gesamte Federelement aus einem Plattenmaterial herzustellen. Bei geeignetem Ausgangsmaterial und geeigneter Anpassung des Querschnittsverlaufs ergibt sich so ein besonders flaches, gut lagerbares Bauteil, das sich besonders einfach erzeugen lässt.

Alternativ zu einer einstückigen Herstellung aus einem Stabmaterial ist es auch denkbar, ein erfindungsgemäßes Federelement aus Plattenmaterial zu formen. Dazu kann beispielsweise aus einer Blechplatte ein Befestigungsabschnitt mit seitlich daran sich anschließenden Stützabschnitten ausgeschnitten werden. Anschließend werden die Stützabschnitte aus der Ebene des Befestigungsabschnitts gebogen, dass sie im Montagezustand die erforderliche Federkraft auf die zu haltende Schiene aufbringen.

Des weiteren ist es möglich, erfindungsgemäße Federelemente als Schweißkonstruktionen herzustellen. In diesem Fall lassen sich beispielsweise unterschiedlich dicke Stababschnitte so miteinander verschweißen, dass das erhaltene Federelement in jedem seiner Abschnitte ein optimales Federverhalten bzw. eine ebenso optimierte Steifigkeit besitzt.

Besondere Beachtung verdienen auch die Endabschnitte der Stützabschnitte. Durch eine geeignete Formgebung können ihre federnde Nachgiebigkeit und ihre Formstabilität so aufeinander abgestimmt werden, dass sie die ihnen zugedachte Funktion optimal erfüllen. Zu diesem Zweck sieht die Erfindung gemäß besonders praxisgerechter Ausgestaltungen vor, dass insbesondere im Bereich der freien Enden der Stützabschnitte Querschnittsformen gewählt werden, die eine belastungsoptimierte Elastizität bei gleichzeitig optimaler Lagesicherung gewährleisten. Dazu kann es beispielsweise zweckmäßig sein, wenn die Endabschnitte einen über den Auflagebereich ansteigenden ovalen, einen tropfenförmigen, einen ellipsoiden, einen polygonförmigen oder einen halbkugelschalenförmigen Querschnitt aufweisen. Darüber hinaus kann es zweckmäßig sein, wenn der Randverlauf der Querschnittsfläche ein asymmetrisches oder symmetrisches Polygon formt. Im Hinblick auf eine Optimierung des Kraftaufnahme- bzw. Abstützvermögens der erfindungsgemäßen Federklemme ist es in diesem Zusammenhang günstig, wenn die Elastizität des Federelements in Schienenquerrichtung beanspruchungsoptimiert ist, wenn also eine Querschnittsform und -größe gewählt wird, die eine in Querrichtung der Schiene optimale Nachgiebigkeit der Federklemme gewährleistet.

Ein wesentlicher Vorteil erfindungsgemäß dimensionierter Federklemmen besteht im Zusammenhang mit den freien Enden der Stützabschnitte auch darin, dass sich die freien Enden der Stützabschnitte so ausgestalten lassen, dass die Federklemmen insgesamt ein optimales Schwingungsverhalten besitzen.

Des weiteren lassen sich solche Abschnitte der erfindungsgemäßen Federklemme, die in einem hinsichtlich der auftretenden Belastungen unkritischen, insbesondere spannungsneutralen Bereich liegen, so verbreitern, dass auf ihnen problemlos eine gut sichtbare Markierung oder Beschriftung angebracht werden kann, die auch nach langer Gebrauchsdauer noch einwandfrei erkannt werden kann.

Eine besonders praxisgerechte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die lichte Weite zwischen den freien Enden der Stützabschnitte und dem Befestigungsabschnitt kleiner ist als der geringste Durchmesser, den der Querschnitt über den Verlauf der Gesamtlänge des Materials des Federelements annimmt. Bei einer derartigen Bemessung des Abstands der freien Enden der Stützabschnitte zum nächstbenachbarten Punkt des Befestigungsabschnitts ist auch bei erfindungsgemäßer Ausgestaltung sichergestellt, dass sich die Federelemente nicht miteinander verhaken, wenn sie in größeren Mengen aufgehäuft werden. Zu diesem Zweck kann an den Enden der Stützabschnitte beispielsweise eine Querschnittsverbreiterung ausgebildet sein. Diese sorgt zudem für eine gute Abstützung des Federelements verbunden mit einer sicheren Auflage auf dem Schienenfuß. Ebenso können die freien Enden der Stützabschnitte nach oben hin gebogen sein, um den Abstand zum Stützabschnitt möglichst klein zu halten. Dabei können die hochgebogenen Endbereiche der Stützabschnitte beispielsweise als Anschläge für Halte- oder Spannelemente genutzt werden. Auch ist es möglich, an den freien Enden der Stützabschnitte Verdickungen, höckerförmige Schultern oder flachgeprägte Endabschnitte vorzusehen, um einerseits ein optimales Federverhalten und andererseits die Verkettung von erfindungsgemäßen Federelementen bei ihrer Lagerung zu vermeiden. Denn auch auf diese Weise lassen sich die Abstände zwischen dem jeweils freien Ende der Stützabschnitte und dem Befestigungsabschnitt so weit verringern, dass die Bildung langer Ketten aus baugleichen, beispielsweise in einem Vorratsbehälter aufbewahrten Federelementen wirksam vermieden wird.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die vom Befestigungsabschnitt zunächst in entgegen gesetzte Richtungen weggeführten Stützabschnitte wieder zusammenlaufen, so dass das Federelement als eine geschlossene Materialschleife ausgebildet ist. Dadurch lässt sich beispielsweise eine optimierte Feder- und Stützwirkung erreichen.

Die besonderen Vorteile des erfindungsgemäßen Federelements liegen in dem den lokal auftretenden Belastungen angepassten Querschnitt. So können entsprechend dem von den jeweiligen Betriebsbedingungen des Gleiskörpers (Steigungen, Kurven, Bremsstrecken o. ä.) abhängige Biege- und Torsionsbelastungsprofile die einzelnen Bereiche des Federelements gezielt verstärken oder geschwächt auslegen. Dementsprechend weisen dauerhaft hoch belastete Bereiche, in denen eine hohe lokale Federsteifigkeit gefordert ist, eine große Querschnittsfläche auf, während gering belastete Bereiche zum Zwecke der Gewichtsreduzierung und Materialeinsparung mit einer vergleichsweise kleinen Querschnittsfläche auskommen.

Erfindungsgemäße Federelemente sind sowohl nach den geforderten Kräften, Spannungen, bestimmten Biege-, Torsionsanteilen usw. auslegbar. Um einen geringen Spannungsanteil (Gesamtvergleichspannung) z. B. in den hinteren Abstützungen einer Spannklemme zu erreichen, wird beispielsweise dort ein dicker Materialquerschnitt gewählt. Umgekehrt lassen sich hohe Spannungsanteile erreichen, wenn im Bereich der Abstützabschnitte geringe Querschnitte gewählt werden. Sind hohe Biegeanteile beispielsweise in den Federarmen der Elemente gefordert, so lässt sich dies durch dünne Querschnitte erreichen.

Eine erste Möglichkeit, Federelemente herzustellen, die einen rotationssymmetrischen Querschnitt aufweisen, der sich zum freien Ende ihrer Stützabschnitte verjüngt, besteht darin, von einem aus einem Stahlmaterial, insbesondere Federstahl, bestehenden Draht Drahtstücke abzulängen, deren Endabschnitte anschließend durch die ausgehend von ihrem Eingangsquerschnitt zu ihrem Ausgangsquerschnitt sich verengenden Öffnung eines Reduzierwerkzeuges gezogen werden, um einen ausgehend von einem Mittelabschnitt des Drahtstücks in Richtung der Drahtenden sich kontinuierlich verjüngenden Durchmesserverlauf zu erzeugen, und bei dem das Drahtstück anschließend zu dem Federelement verformt wird. Im Zuge der Reduzieroperation beginnt der Stahl entgegen der Bewegungsrichtung zu fließen, so dass im Ergebnis die gewünschte Durchmesserreduzierung bei gleichzeitiger Längung des Drahtstücks erreicht wird.

Ein anderes für die erfindungsgemäße Formgebung geeignetes Walzverfahren zeichnet sich dadurch aus, dass von einem aus einem Stahlmaterial, insbesondere Federstahl, bestehenden Draht Drahtstücke abgelängt werden, die anschließend zwischen zwei gegenläufig ausgerichteten keilförmigen Werkzeugen gewalzt werden, um an mindestens einer Stelle des Drahtstücks eine Querschnittsverjüngung zu erzeugen.

Eine weitere Möglichkeit, dem Drahtmaterial die an dem fertigen Federelement erfindungsgemäß ausgebildeten Querschnittsveränderungen zu erzeugen, besteht darin, ein aus einem Stahlmaterial, insbesondere Federstahl, bestehenden Draht in Längsrichtung zwischen Profilierungswalzen zu walzen. Auf diese Weise lassen sich beliebige rotationssymmetrische Querschnittsformen erzeugen.

Die erfindungsgemäß vorgesehene belastungsbezogene Formgebung von Federelementen kann auch dadurch erzeugt werden, dass einem aus einem Stahlmaterial, insbesondere Federstahl, bestehenden Draht mittels eines Prägewerkzeugs Querschnittsveränderungen aufgeprägt werden und bei dem nach dem Aufprägen aus dem Draht ein Federelement geformt wird. Mit einem solchen Kaltverformungsschritt lassen sich dem Draht verschiedenste Querschnittsformen verleihen. Im Zuge des Prägens beginnt der Stahl sowohl in Quer- als auch in Längsrichtung zu fließen. Im Ergebnis lassen sich so ovale, elliptische, doppelkopfförmige, birnenförmige oder sonstige Querschnittsformen erzeugen. Ebenso lassen sich kreisrunde Querschnittsformen erzeugen, indem das Prägewerkzeug beispielsweise jeweils um Winkelschritte versetzt mehrfach an den Draht angesetzt wird.

Eine dritte Möglichkeit, eine präzise rotationssymmetrische Formgebung eines Drahtmaterials zu erzeugen, besteht darin, dass an einem aus einem Stahlmaterial, insbesondere Federstahl, bestehenden Draht mittels eines um die Drahtlängsachse rotierenden Rundknetwerkzeugs eine rotationssymmetrische Querschnittsverjüngung erzeugt wird und nach dem Rundkneten aus dem Draht ein Federelement geformt wird.

Schließlich kann die Formgebung des Federelements auch dadurch erfolgen, dass an einem aus einem Stahlmaterial, insbesondere Federstahl, bestehenden Draht mittels eines Stauchwerkzeugs eine Verdickung aufgestaucht wird und nach dem Aufstauchen aus dem Draht ein Federelement geformt wird. Auf diese Weise lassen sich insbesondere an den freien Enden der Stützabschnitte Volumenelemente, wie Kugeln, Finnen, Hammer etc. anformen.

Bei den letzten vier der voranstehend erläuterten Herstellungsverfahren kann die jeweilige Umformoperation vor oder nach der Zerteilung des Drahts zu Drahtstücken durchgeführt werden. Selbstverständlich können sämtliche der genannten Verfahren miteinander kombiniert werden, um eine möglichst optimale Formgebung der erfindungsgemäßen Federklemme zu erreichen. Unabhängig davon, wie das Drahtmaterial vor seiner Umformung zu dem Federelement profiliert wird, kann diese Umformung auf konventionelle Weise durch Biegen erfolgen. Erfolgt der Biegevorgang mehrschrittig, so ist es denkbar, einzelne oder mehrere Profilierungsschritte jeweils zwischen zwei Biegeschritte zu schalten.

Die Fertigung des erfindungsgemäßen Federelements kann darüber hinaus auch ein Stanzen umfassen. So ist es möglich, entweder das gesamte Federelement oder einzelne seiner Abschnitte, wie beispielsweise die Mittelschleife oder die Federabschnitte, gestanzt auszuführen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer Ausführungsbeispiele darstellenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1a ein erstes Federelement 1 in Draufsicht;

Fig. 1b das erste Federelement 1 in einer perspektivischen Ansicht;

Fig. 2a ein zweites Federelement 2 in Draufsicht;

Fig. 2b das zweite Federelement 2 in einer perspektivischen Ansicht;

Fig. 3a ein drittes Federelement 3 in Draufsicht;

Fig. 3b das dritte Federelement 3 in einer perspektivischen Ansicht;

Fig. 4a ein viertes Federelement 4 in Draufsicht;

Fig. 4b das vierte Federelement 4 in einer perspektivischen Ansicht;

Fig. 5a ein fünftes Federelement 5 in Draufsicht;

Fig. 5b das fünfte Federelement 5 in einer perspektivischen Ansicht;

Fig. 6a ein sechstes Federelement 6 in Draufsicht;

Fig. 6b das sechste Federelement 6 in einer perspektivischen Ansicht;

Fig. 7a ein siebtes Federelement 7 in Draufsicht;

Fig. 7b das siebte Federelement 7 in einer perspektivischen Ansicht;

Fig. 8a ein achtes Federelement 8 in Draufsicht;

Fig. 8b das achte Federelement 8 in einer perspektivischen Ansicht;

Fig. 9a ein neuntes Federelement 9 in Draufsicht;

Fig. 9b das neunte Federelement 9 in einer perspektivischen Ansicht;

Fig. 10a ein zehntes Federelement 10 in Draufsicht;

Fig. 10b das zehnte Federelement 10 in einer perspektivischen Ansicht;

Fig. 11a ein elftes Federelement 11 in Draufsicht;

Fig. 11b das elfte Federelement 11 in einer perspektivischen Ansicht;

Fig. 12a ein zwölftes Federelement 20 in Draufsicht;

Fig. 12b das zwölfte Federelement 20 in einer perspektivischen Ansicht;

Das Federelement 1 stellt einen Grundtyp der hier in Rede stehenden Elemente dar. Es ist einstückig aus einem Federstahl-Stabmaterial gebogen und weist einen im wesentlichen U-förmigen Befestigungsabschnitt 12 auf. Die Rundung 12a des Befestigungsabschnitts 12 ist dabei der Vorderseite V des Federelements 1 zugeordnet, mit der es in Montagestellung an der hier nicht dargestellten Eisenbahnschiene anliegt. Der der Rundung 12a gegenüberliegende Durchgang 13 des Befestigungsabschnitts 12 liegt demgemäss auf der Rückseite R des Federelements 1. Der Befestigungsabschnitt 1 erstreckt sich dabei im wesentlichen in einer Ebene, die in Montagestellung im wesentlichen horizontal ausgerichtet ist.

Die den Durchgang 13 seitlich begrenzenden Schenkel 12c, 12d des Befestigungsabschnitts 12 gehen jeweils in einen Stützabschnitt 14, 15 über. Ausgehend vom Ende des jeweiligen Schenkels 12c bzw. 12d laufen die Stützabschnitte 14, 15 dabei zunächst nach innen und unten, so dass sich der Durchgang 13 verengt. Auf diese Weise umgibt der Befestigungsabschnitt 12 eine Öffnung 16, durch die bei der Montage eine Schraube verliersicher geführt werden kann.

Anschließend werden an den nach unten und innen gerichteten Verlauf die Stützabschnitte 14, 15 in einem Auflagerabschnitt 14a, 15a voneinander wegführend zur von der Vorderseite V her gesehenen linken bzw. rechten Seite des Federelements 1 gebogen. Nach Durchlaufen eines tiefsten Punktes geht das Material des Federelements 1 dabei in einem nach oben gerichteten Bogen jeweils in einen im wesentlichen sich parallel zum Befestigungsabschnitt 12 erstreckenden Federarmabschnitt 14b bzw. 15b über, der wiederum über einen nach unten und innen führenden Bogen in jeweils einen Endabschnitt 14c, 15c übergeht. Die Endabschnitte 14c, 15c liegen dabei gemeinsam in einer unter der Ebene des Befestigungsabschnitts 12 angeordneten Parallelebene.

Der Querschnitt Q der einzelnen Abschnitte des Federelements 1 ist an die im Betrieb jeweils auftretenden Belastungen angepasst. So weist das Federelement 1 beispielsweise im Bereich der Auflagerabschnitte 14a, 15a bei an sich kreisrunder Querschnittsform eine gegenüber den übrigen Abschnitten größere Dicke, d. h. einen größeren Querschnitt, auf. Ausgehend von den dicken Auflagerabschnitten 14a, 15a verjüngen sich die Stützabschnitte 14, 15 über die Federarmabschnitte 14b, 15b, bis sie im Bereich der Endabschnitte 14c, 15c jeweils die geringste Dicke, d. h. den kleinsten Querschnitt erreichen. Der Querschnitt des Stabmaterials im Bereich des Befestigungsabschnittes 12 liegt zwischen dem größten Querschnitt im Bereich der Auflagerabschnitte 14a, 15a und den Endabschnitten 14c, 15c. Die einzelnen unterschiedlich dicken Abschnitte des Federelements 1 gehen dabei stufenlos ineinander über, so dass das Auftreten von Spannungsspitzen vermieden ist.

Auf diese Weise weist das Federelement 1 eine hohe dynamische Dauerfestigkeit bei insgesamt geringer Gesamtspannung auf, wovon insbesondere in den hinteren Abstützabschnitten 14a, 15a ein hoher Torsionsanteil bei geringer Biegebeanspruchung überwiegt. Die Federarmabschnitte 14b, 15b sind ebenfalls relativ steif, während die zur Anlage an den Schienenfuß kommenden dünnen Endabschnitte 14c, 15c eine hohe Elastizität aufweisen.

Die Umkehrung des durch das Federelement 1 dargestellten Grundformtyps stellt das Federelement 2 dar. Bei diesem Federelement 2 ist der Befestigungsabschnitt 12 durch zwei parallel zueinander verlaufende Stangenabschnitte 12c, 12d gebildet, deren freie Enden in Richtung der Vorderseite V gerichtet sind. Auf der Rückseite R gehen Stangenabschnitte 12c, 12d bogenförmig in jeweils einen nach außen und unten führenden Auflagerabschnitt 14a, 14b über, der, wiederum entsprechend dem Federelement 1 in einem nach oben und parallel zu den Stangenabschnitten 12c, 12d geführten Bogen in jeweils einen Federarmabschnitt 14b, 15b übergeht. Die Federarmabschnitte 14b, 15b laufen dann in einem jeweils nach innen und unten führenden Bogen in einen unterhalb der freien Enden der Stangenabschnitte 12c, 12d verlaufenden Verbindungsabschnitt 17 über, der die Federarmabschnitte 14, 15 miteinander verbindet und in Montagestellung auf den Fuß der zu haltenden Schiene drückt.

Das Federelement 2 kann dabei beispielsweise aus einem Stangenmaterial mit ovalem Querschnitt geformt sein, der dergestalt gebogen worden ist, dass er hiernach den geforderten Eigenschaften partiell horizontal und partiell vertikal oder/und entsprechend unter einem Winkel geneigt gebogen ist.

Dem Grundtyp des Federelements 1 entsprechend geformt sind die Federelemente 3, 4, 6, 7, 8 und 11. Beim Federelement 3 sind lediglich zusätzlich zu der Ausgestaltung des Federelements 1 an den Endabschnitten 14c, 15c der Stützabschnitte 14, 15 sich in Richtung des Befestigungsabschnitts 12 erhebende Höcker 14d, 15d angeformt. Die Höcker 14d, 15d sind dabei so hoch, dass die lichte Weite zwischen der Spitze der Höcker 14d, 15d und dem Bogenabschnitt 12a kleiner ist als der Durchmesser des Querschnitts an der dünnsten Stelle des Federelements 3.

Zum selben Zweck sind beim Federelement 4 die Endabschnitte 14c, 15c nach oben gebogen, so dass ihre Enden vertikal nach oben zeigen und lediglich ein Bogenabschnitt zur Anlage an den Fuß der zu haltenden Schiene kommt. Um dennoch die notwendige Nachgiebigkeit der Abstützung der zu haltenden Schiene zu erreichen, weisen die Federarmabschnitte 14b, 15b beim Federelement 4 einen gegenüber dem Federelement 1 deutlich verminderten, an sich jedoch nach wie vor runden Querschnitt auf. Auch im Bereich des Befestigungsabschnitts 12 ist die Materialdicke deutlich geringer als beim Federelement 1, um die erforderliche Gesamtelastizität des Federelements 3 sicher zu erreichen.

Beim in seiner Grundform dem Federelement 1 glatt entsprechenden Federelement 6 weisen die Endabschnitte 14c, 15c eine gegenüber den Federarmabschnitten 14b, 15b deutlich größere Dicke auf. Infolge des demzufolge geringeren Querschnitts nehmen die Federarmabschnitte 14b, 15b somit den weitaus überwiegenden Teil der Federarbeit auf, während die übrigen Abschnitte des Federelements 6 die geforderte Steifigkeit gewährleisten.

Das in seiner Grundform ebenfalls glatt dem Federelement 1 entsprechende Federelement 7 weist Auflagerabschnitte 14a, 15a auf, deren Dicke noch größer ist als beim Federelement 1. Der demzufolge weiter vergrößerte Querschnitt in diesem Bereich führt zu einem vergrößerten Aufnahmevermögen für tordierende Belastung bei gleichzeitig vergrößerter Steifigkeit. Gleichzeitig wird das elastische Verhalten des Federelements 7 maßgeblich durch die dünnen Endabschnitte 14c, 15c der Stützabschnitte 14, 15 bestimmt.

Im Gegensatz dazu sind beim der Grundform des Federelements 1 ebenfalls entsprechenden Federelement 8 die Federarmabschnitte 14b, 15b und die Endabschnitte 14c, 15c sehr viel dicker ausgebildet als die Materialstärke im Bereich der Auflagerabschnitte 14a, 15a und dem Befestigungsabschnitt 12. Demzufolge wird die Elastizität des Federelements 8 wesentlich durch die Gestaltung der Auflagerabschnitte 14a, 15a bestimmt, während die Federarmabschnitte 14b, 15b mit ihrem relativ großen Querschnitt eine hohe Steifigkeit und dementsprechend geringe Nachgiebigkeit besitzen.

Während bei den voranstehend erläuterten Federklemmen die einzelnen Abschnitte jeweils stufenlos gleitend ineinander übergehen, erfolgt die Querschnittsänderung beim in den Fig. 11a und 11b dargestellten Federelement 11 sprunghaft. Dabei weist das in seiner Grundform dem Federelement 1 entsprechende Federelement 11 relativ dünne Endabschnitte 14c, 15c mit geringem Querschnitt auf. Ausgehend von den Endabschnitten 14c, 15c bleibt dieser Querschnitt im wesentlichen konstant, bis etwa zwei Drittel der Länge der Tragarmabschnitte 14b, 15b zurückgelegt sind. Dann erfolgt eine erste sprunghafte Zunahme der Dicke, so dass die Tragarmabschnitte 14b, 15b in ihrem an den jeweiligen Auflagerabschnitt 14a, 15a angrenzenden Abschnitt einen mittleren Durchmesser aufweisen. Beim Übergang von den Tragarmabschnitten 14b, 15b zu den Auflagerabschnitten 14a, 15a nimmt der Querschnitt nochmals sprunghaft zu, so dass die größte Dicke und dementsprechend die größte Steifigkeit und das größte Torsionsaufnahmevermögen im Bereich dieser Auflagerabschnitte 14a, 15a gegeben ist. In ebenfalls zwei Stufen geht der große Querschnitt der Auflagerabschnitte 14a, 15b in den wiederum geringen Querschnitt des Materials im Bereich des Befestigungsabschnitts 12 über.

Beim in seiner Grundform ebenfalls an den Typ des Federelements 1 angelehnten Federelement 5 sind die Endabschnitte 14c, 15c der Stützabschnitte 14, 15 durch einen Verbindungsabschnitt 18 von besonders geringer Querschnittsgröße miteinander verbunden. Dazu sind die Endabschnitte 14c, 15c ausgehend vom Ende der Federarmabschnitte 14b, 15b in Richtung ihrer Enden so stark abgeflacht, dass sie im wesentlichen stufenfrei in den dünnen, am tiefsten Punkt des Federelements 5 angeordneten Verbindungsabschnitt 18 übergehen. Auf diese Weise ist einerseits die Auflagefläche und Formhaltigkeit des Federelements 5 in Montagestellung verbessert. Der Dicken- und Querschnittsverlauf über die einzelnen Abschnitte des Federelements 5 entspricht im Übrigen dem in Zusammenhang mit dem Federelement 1 erläuterten. Aufgrund seiner geschlossenen Form ist das Federelement 5 besonders in der Lage, niedrig-, mittel- und hochfrequente Schwingungen aufzunehmen, die aus der Schiene auf das Federelement übertragen werden.

Das Federelement 9 ist aus einem Plattenmaterial gestanzt und anschließend in Form gebogen worden. Dabei weist es genauso wie die übrigen hier beschriebenen Federelemente einen Befestigungsabschnitt 12 auf, der in diesem Fall jedoch plattenförmig ausgebildet ist und in den eine Langlochdurchgangsöffnung 19 für nicht dargestellte Befestigungselemente eingeformt ist. Vom der Rückseite R zugeordneten Rand des Befestigungsabschnitts 12 gehen seitlich nach außen gerichtete Auflagerabschnitte 14a, 15a ab, die ausgehend von dem Befestigungsabschnitt 12 zunächst flach und dann in einem Bogen nach oben geführt in jeweils einen Federarmabschnitt 14b, 15b übergehen. Die Federarmabschnitte 14b, 15b verlaufen anschließend in jeweils einem nach unten und innen gerichteten Bogen in die Endabschnitte 14c, 15c, deren freie Enden unter dem der Vorderseite V zugeordneten Ende des Befestigungsabschnitts 12 angeordnet sind.

Über den Verlauf der Stützabschnitte 14, 15 besitzt der Querschnitt eine im wesentlichen rechtwinklige, im Bereich der Ecken jedoch abgerundete Form. Dabei ist im Bereich des flachen Übergangs vom Befestigungsabschnitt 12 zu den Auflagerabschnitten 14a, 15a eine relativ große Querschnittsfläche verwirklicht, deren Größe mit zunehmender Annäherung an die Endabschnitte 14c, 15c der Stützabschnitte 14, 15 stufenlos immer stärker abnimmt. Auch auf diese Weise ist eine hohe Steifigkeit bei hohem Torsionsaufnahmevermögen im Bereich der Auflagerabschnitte 14a, 15a und der Federarmabschnitte 14b, 15b verwirklicht, während die relativ dünnen Endabschnitte 14c, 15c eine hohe Elastizität besitzen.

Beim in seiner Grundform ebenfalls an das Federelement 1 angelehnten Federelement 10 ist zur optimalen Anpassung aller Gestaltungsparameter an die sich im Betrieb stellenden Anforderungen sowohl die Form als auch die Größe des Querschnitts über den Verlauf des Stahlmaterials des Federelements 10 variiert worden. So weisen seine Endabschnitte 14c, 15c eine flache, in Richtung ihrer Enden stark verbreiterte Form auf, durch die eine optimal große, eine besonders sichere Übertragung der Haltekraft gewährleistende Auflagerfläche geschaffen ist.

Diese flache Form der Endabschnitte 14c, 15c geht über in eine dickere Form der Federarmabschnitte 14b, 15c, deren Querschnittsform wiederum stärker einem Kreis angenähert ist. Die Abschnitte 14b, 15b mit kreisförmigem Querschnitt gehen dann jeweils über in den sich anschließenden Auflagerabschnitt 14a, 15a, der eine ellipsoide Querschnittsform bei in Draufsicht sich stark in Richtung des Befestigungsabschnitts 12 vergrößernder Breite besitzt. Der Übergang zum Befestigungsabschnitt 12 ist dabei so stark verbreitert, dass der rückwärtige Durchgang 13 des Befestigungsabschnitts 12 annähernd geschlossen ist. Im Bereich des Befestigungsabschnitts 12 selbst ist der Querschnitt des Materials besonders dünn, um die erforderliche Nachgiebigkeit des Federelements 10 zu gewährleisten.

Schließlich ist auch das Federelement 20 an die Grundform des Federelements 1 angelehnt. In diesem Fall ist jedoch an den freien Enden 14c, 15c der Federarmabschnitte 14b, 15b jeweils ein nach oben gerichteter flach ausgeprägter Abschnitt 14e, 15e angeformt, der die Form einer Finne aufweist. Auch auf diese Weise ist der Abstand a zwischen dem Abschnitten 14e, 15e und dem Befestigungsabschnitt 12 so klein, dass keiner der Abschnitte des Federelements durch diesen Abstand a geführt werden kann. Die Gefahr einer Verkettung ist somit beseitigt. Gleichzeitig gewährleisten die Abschnitte 14e, 15e eine im Hinblick auf ihre Stützfunktion optimale Steifigkeit der Endabschnitte 14c, 15c.

Claims

1. Federelement zum federnd elastischen Halten von Schienen auf einem Untergrund, hergestellt aus einem Stahlmaterial, dadurch gekennzeichnet, dass sein Querschnitt (Q) über den Verlauf der Gesamtlänge des Stahlmaterials an die im Betrieb örtlich jeweils auftretenden Belastungen angepasst ist.

2. Federelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Form seines Querschnitts (Q) über den Verlauf der Gesamtlänge seines Materials mehrfach ändert.

3. Federelement nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Größe seiner Querschnittsfläche (Q) über den Verlauf der Gesamtlänge seines Materials ändert.

4. Federelement nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich sein Querschnitt (Q) über den Verlauf der Gesamtlänge seines Materials stufenlos ändert.

5. Federelement nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich sein Querschnitt (Q) über den Verlauf der Gesamtlänge seines Materials in Stufen ändert.

6. Federelement nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass seine Querschnittsfläche (Q) mindestens im Bereich bestimmter Abschnitte (12, 14, 15) des Verlaufs der Gesamtlänge seines Materials kreisförmig ist.

7. Federelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass seine Querschnittsfläche (Q) mindestens im Bereich bestimmter Abschnitte (12, 14, 15) des Verlaufs der Gesamtlänge seines Materials ellipsenförmig ist.

8. Federelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass seine Querschnittsfläche (Q) mindestens im Bereich bestimmter Abschnitte (12, 14, 15), insbesondere seiner freien Endabschnitte (14a, 14b), des Verlaufs der Gesamtlänge seines Materials tropfenförmig ist.

9. Federelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die freien Enden der Stützabschnitte einen über den Auflagerbereich ansteigenden ovalen Querschnitt aufweisen.

10. Federelement nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Befestigungsabschnitt (12), welcher in fertiger Montagestellung mit Befestigungselementen zusammenwirkt, und von dem Befestigungsabschnitt (12) abgehende Stützabschnitte (14, 15) aufweist, welche in fertiger Montagestellung eine elastische Haltekraft auf die Schiene ausüben.

11. Federelement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Befestigungsabschnitt (12) U-förmig ausgebildet ist und die Stützabschnitte (14, 15) sich an die Schenkel (12a, 12b) des Befestigungsabschnittes (12) anschließen.

12. Federelement nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Befestigungsabschnitt (12) plattenförmig ausgebildet ist 13. Federelement nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Befestigungsabschnitt (12) eine Durchgangsöffnung (19) aufweist.

14. Federelement nach einem der Ansprüche 10 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Schenkel (12a, 12b) im Bereich des Übergangs in die Stützabschnitte (14, 15) eine Einschnürung bilden.

15. Federelement nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Stützabschnitte (14, 15) zu ihrem freien Ende hin verjüngen.

16. Federelement nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die freien Enden der Stützabschnitte (14, 15) in Richtung des Befestigungsabschnitts (12) abgeknickt sind.

17. Federelement nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die freien Enden der Stützabschnitte (14, 15) verbreitert sind.

18. Federelement nach einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die freien Enden der Stützabschnitte (14, 15) eine Verdickung (14d, 15d) aufweisen.

19. Federelement nach einem der Ansprüche 10 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die lichte Weite zwischen den freien Enden der Stützabschnitte (14, 15) und dem Befestigungsabschnitt (12) kleiner ist als der geringste Durchmesser, den der Querschnitt über den Verlauf der Gesamtlänge des Materials des Federelements (1-11) annimmt.

20. Federelement nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es als eine geschlossene Materialschleife gebildet ist.

21. System zur Befestigung von Schienen mit einem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 20 ausgebildeten Federelement (1-11), welches eine elastische Haltekraft auf die Schiene ausübt, und mit einem Befestigungselement, mit dem das Federelement (1-11) auf einem Untergrund verspannt ist.

22. Verfahren zur Herstellung von gemäß einem der Ansprüche 1 bis 19 ausgebildeten Federelementen bei dem von einem aus einem Stahlmaterial, insbesondere Federstahl, bestehenden Draht Drahtstücke abgelängt werden, deren Endabschnitte anschließend durch die ausgehend von ihrem Eingangsquerschnitt zu ihrem Ausgangsquerschnitt sich verengenden Öffnung eines Reduzierwerkzeuges gezogen werden, um einen ausgehend von einem Mittelabschnitt des Drahtstücks in Richtung der Drahtenden sich kontinuierlich verjüngenden Durchmesserverlauf zu erzeugen, und bei dem das Drahtstück anschließend zu dem Federelement verformt wird.

23. Verfahren zur Herstellung von gemäß einem der Ansprüche 1 bis 19 ausgebildeten Federelementen, bei dem einem aus einem Stahlmaterial, insbesondere Federstahl, bestehenden Draht mittels eines Prägewerkzeugs Querschnittsveränderungen aufgeprägt werden und bei dem nach dem Aufprägen aus dem Draht ein Federelement geformt wird.

24. Verfahren zur Herstellung von gemäß einem der Ansprüche 1 bis 19 ausgebildeten Federelementen bei dem an einem aus einem Stahlmaterial, insbesondere Federstahl, bestehenden Draht mittels eines um die Drahtlängsachse rotierenden Rundknetwerkzeugs eine rotationssymmetrische Querschnittsverjüngung erzeugt wird und nach dem Rundkneten aus dem Draht ein Federelement geformt wird.

25. Verfahren zur Herstellung von gemäß einem der Ansprüche 1 bis 19 ausgebildeten Federelementen bei dem an einem aus einem Stahlmaterial, insbesondere Federstahl, bestehenden Draht mittels eines Stauchwerkzeugs eine Verdickung aufgestaucht wird und nach dem Aufstauchen aus dem Draht ein Federelement geformt wird.

26. Verfahren zur Herstellung von gemäß einem der Ansprüche 1 bis 19 ausgebildeten Federelementen bei dem von einem aus einem Stahlmaterial, insbesondere Federstahl, bestehenden Draht Drahtstücke abgelängt werden, die anschließend zwischen zwei gegenläufig ausgerichteten keilförmigen Werkzeugen gewalzt werden, um an mindestens einer Stelle des Drahtstücks eine Querschnittsverjüngung zu erzeugen.

27. Verfahren zur Herstellung von gemäß einem der Ansprüche 1 bis 19 ausgebildeten Federelementen bei dem an einem aus einem Stahlmaterial, insbesondere Federstahl, bestehenden Draht in Längsrichtung zwischen Profilierungswalzen gewalzt wird.

28. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement mindestens abschnittsweise aus dem Stahlmaterial gestanzt wird.

29. Verfahren zur Herstellung von gemäß einem der Ansprüche 1 bis 19 ausgebildeten Federelementen, bei dem das Federelement vollständig aus einem Stahlmaterial gestanzt wird.