DE4423331A1 - Lärmreduzierter Eisenbahnoberbau - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen in der Lärmdämpfung und Lärm­ dämmung verbesserten Eisenbahnoberbau, bei dem die Schienen auf einer Unterschwellung elastisch gelagert sind.

Es sind eine Reihe von effektiv lärmdämpfenden, daß heißt den Körperschall reduzierenden, Systemen bekannt, mit denen der durch den Rad/Schiene-Kontakt erzeugte Schall in seinem Pegel, gemessen nach einer logarithmischen Skala in dB (De­ zibel), gemindert wird.

Dabei werden Füllkörper oder Kammersteine oder auch flächi­ ge, lamellenartig ausgeprägte Werkstoffe aus Gummi, Bitumen, Fasern, Duroplasten oder ähnlichem an den Schienenkopf und/ oder den Schienensteg und/oder den Schienenfuß so gekoppelt, daß diese Massen mit der Schiene oder deren Teile schwingen und im wesentlichen Schall in innere Reibung umsetzen.

Derartige Systeme ohne Füllkörper sind aus der DE-AS 17 84 171, DE-C 31 47 387 bekannt. Eine Vielzahl von Oberbauformen versucht, die innere Reibung von Gummi zu nutzen, um die Körperschwingungen zu reduzieren: AT-PS 172 157 für Straßen­ bahnen; DE-A 40 27 836 mit einer Schiene in Gummilagerung im wesentlichen für Eisenbahnen oder mit in metallischer Lage­ rung gestützten Vollgummiprofilen gemäß der DE-PS 8 46 101.

Es ist auch schon versucht worden, insbesondere für einbeto­ nierte, eingepflasterte Rillenschienen (Straßenbahn) oder auf fester Tragplatte (feste Fahrbahn) angeordnete Schienen in schotterlosem Oberbau, der besonders lärmintensiv sein kann, Gummiprofile als an der Schiene anliegende Dämpfer zu verwenden (DE-C 33 45 388) oder die Schienenaußenflächen im unteren Kopfbereich, am Steg und auf dem Schienenfuß mit möglichst eng anliegenden Gummiteilen zu koppeln (DE-A 36 02 313) und dabei den Körperschall in Absorptionsschichten ab­ zuleiten.

Auch elastische Füllkörper in Kombination mit entsprechender Schienenfußummantelung (DE-A 42 23 270), die in sich selbst und/oder mit der Schiene verklebt werden (DE-A 37 11 190) wurden zur Körperschalldämpfung verwendet. Letztere Veröf­ fentlichung hebt zwar auf eine Schalldämmung ab, nach der Beschreibung soll jedoch eine Übertragung von Erschütterungsemissionen verhindert, also Körperschalldämp­ fung erzeugt werden. Durch die Verklebung des Kunststoffes mit der Schiene ist im wesentlichen auch ein gekoppeltes Schwingelement gegeben, welches eine Schalldämmung kaum er­ möglicht.

Schwierig zu beurteilen sind die System gemäß den US-PS 1 771 078 und 1 771 079, bei denen eine Schiene, Rillenschiene oder Straßenbahnschiene, allseitig mit aus Lehm, Gewebe, Papier, Holz, Pflanzensubstraten oder ähnli­ chem, gemischt mit Bitumen, bestehenden Formstücken, die gegenseitig miteinander verriegelt sind, umgeben wird. Wegen der bituminösen Anteile wird eine gewisse Klebefähigkeit der Formstücke unterstellt, so daß auch hier die Körperschall­ dämpfung im Vordergrund stehen dürfte. Wie bei einem derar­ tigen System die Schiene zu befestigen ist, ist nicht offen­ bart; nach dem Alter der Erfindung zu urteilen, wird in der Regel durch Schienennagelung oder Direktverschraubung auf der Unterschwellung vorgenommen und damit an diesen Stellen wieder Körperschalleitung ermöglicht.

Mit der DE-A 40 04 208 wurde eine aus einer Mehrzahl von Werkstoffen für die jeweiligen Teile einer Straßenbahnschie­ ne zusammengesetztes Dämpfungssystem offenbart, mit dem auch Schalldämmung möglich sein soll. Der Schienenfuß soll in einer speziellen Nivelliermasse auf aus Hartgummi und Polyu­ rethan hergestellten brettartigen Formkörpern ruhen und zu­ gleich soll aus einer ähnlichen Masse ein Füllkörper von einer Shore-Härte D 80 geformt werden. Die Füllkörper sollen teils am Schienenkopf, entlang des Steges und am Schienenfuß anliegen. Aus der Beschreibung geht hervor, daß höherfrequente Schwingungen - bei den üblichen Prüfmethoden also offensichtlich Schwingungen zwischen 1 kHz und 5 kHz weniger gut weitergeleitet und abgestrahlt werden, was durch eine Nachgiebigkeit der Materialien und somit zum Energie­ verzehr und zur Dämpfung von Erschütterungen führen soll. Damit ist offensichtlich auch hier im wesentlichen nur ein Körperschalldämpfungseffekt zu verzeichnen.

Schalldämmung, d. h. Luftschalldämmung, läßt sich offensicht­ lich nur mit dem sehr aufwendigen System gemäß der DE-A 36 02 313 erreichen, sofern Luftschall dort konstruktionsbe­ dingt unterhalb der Berührungsfläche Rad/Schiene überhaupt entsteht.

Mit der Patentanmeldung P 44 11 833.3 ist vorgeschlagen wor­ den, einen Schienenfuß mit einer Ummantelung zu versehen, die aus Polyethylen oder Elastomeren besteht.

Von daher liegt der Erfindung das Problem zugrunde insbeson­ dere den Luftschall, gegebenenfalls gemeinsam mit der durch eine Schienenfußummantelung erreichten Körperschalldämpfung, effektiv und mit einfachen Maßnahmen zu dämmen.

Dieses Problem wird durch die Ansprüche 1 und 11 gelöst; vor­ teilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unter­ ansprüchen erfaßt. Die Lösungen stellen eine Weiterentwick­ lung des Systems der zitierten Patentanmeldung dar.

Versuche haben gezeigt, daß die relativ dünnwandigen und große Oberflächen aufweisenden Schienenteile Steg und Schienenfuß ursächlich für den als störend empfundenen Luft­ schall sind. Die Schwingungen, die zu Luftschall führen, stammen von dem Rad-Schiene-Kontakt durch Körperschalleitung zum Steg und zum Schienenfuß. Der Erfindung lag weiterhin die Idee zugrunde, einfache leicht einzubauende und preis­ wert zu beschaffende Werkstoffe zu verwenden und dabei Sy­ steme auf die Eisenbahntechnologie zu übertragen, wie sie aus der Akustik bekannt sind. Dabei war das Hauptaugenmerk auf Schwingungen oberhalb von 200 Hz bis etwa 1 kHz und dar­ überhinaus bis etwa 5 kHz zu richten, weil dort die als sehr störend empfundenen Geräuschpegel auftreten.

Letztlich war eine weitere Grundidee, die Dämmstoffe nach Reparieren des Schienenstranges wieder zu verwenden, so daß Klebevarianten ausschieden.

Die Lösung beinhaltet in Kombination mit einer Schienenfuß­ ummantelung zunächst Kammersteine, die in kleinvolumige, hohlraumartige Abschnitte aufgeteilt sind, in denen der Schall diffus reflektiert und schließlich absorbiert wird. Dazu wurde der Kammerstein oder Füllkörper in einzelne Ab­ schnitte aufgeteilt, die im wesentlichen eine Länge haben, die etwa der Steghöhe entspricht, aber auch halb so groß bis etwa 3 mal so groß sein könnten. Die Kammern werden gebil­ det, indem die Füllkörper eine, an sich bekannte, U-Form oder C-Form erhalten, deren flügelartige obere und untere Auskragungen zwischen dem Schienenkopf und dem Schienenfuß eingeklemmt werden. Die Kammern selbst werden durch Zwi­ schenrippen gebildet, die zwischen der oberen und der unte­ ren Auskragung nach Form einer Wandstütze oder Zwischenstüt­ ze ausgebildet sind, aber nicht bis zum Steg reichen, so daß keine Körperschalleitung vom Steg her erfolgen kann. Die innere Oberfläche dieser so gebildeten, kammerartigen, zur Stegseite hin offenen Abschnitte, sollte zudem mit einer, den Schall vernichtenden, absorbierenden Oberfläche versehen sein in Form einer regelmäßigen Strukturierung oder einer offenporigen Oberfläche. Ergänzend oder alternativ kann je­ der Abschnitt oder einzelne Abschnitte auch mit Fasern wie Mineralwolle oder zelligem Material wie Schaumstoffbrocken gefüllt sein. Im Extremfall kann jeder einzelne Abschnitt beispielsweise entsprechende seiner Lage relativ zu der nächsten Schienenbefestigung, d. h. dem nächsten Festpunkt, an das erwünschte Schwingverhalten angepaßt werden.

Damit das System möglichst selten in Resonanzfrequenz schwingt, Grundschwingungen oder Oberschwingungen, wurde eine geringe Shore-Härte von D 10 bis 60 gewählt. Die besten Ergebnisse wurden bei der Shore-Härte von D 15 bis 35 erhal­ ten, mit dem Maximum einer Pegelreduzierung um bis zu 25 dB, wenn die Schallabstrahlung vom Steg und Schienenfuß isoliert betrachtet wird.

Die Oberseite des Füllkörpers und Unterseite des Füllkörpers sollten eine Kontur erhalten, die etwa komplementär zu der Kontur ist, an der die Füllkörper anliegen, nämlich der Un­ terseite des Schienenkopfes bzw. der Oberseite des Schienen­ fußes. Da die wesentlichen Teile sowohl am Schienenkopf als auch am Schienenfuß, deren Neigungs- oder Steigungswinkel, orthogonal zur Schienenmittelsenkrechten geringer als 7° ist, läßt sich bei entsprechender Gestaltung der Flächenpaa­ rungen eine Selbsthemmung des Füllkörpers in der Aussparung zwischen Schienenkopf und Schienenfuß erzielen.

Trotzdem könnte bei Resonanzfrequenz ein Füllkörper aus der Sollhalterung verdrängt werden. Aus diesen Gründen ist vor­ gesehen, die Füllkörper als leicht zu handhabende Elemente von etwa 500 bis 1000 mm Länge, angepaßt an den Rasterabstand der Schienenbefestigung bzw. der Unterschwel­ lung, auszubilden. Dabei kann die Schienenbefestigung mit einem zusätzlichen Spannelement versehen werden, das gegen zwei benachbarte Füllkörper drückt und so diese in ihrer Sollposition hält.

Zur Vermeidung von Beschädigungen ist vorgesehen, daß die Querschnittsbreite des Füllkörpers maximal etwa gleich der halben Breite des Schienenfußes ist. Bei Straßenbahn-Schie­ nenlagerungen ist es allerdings wünschenswert, daß die Quer­ schnittsbreite des Füllkörpers etwas größer ist, um eine für die Schienenlagerung hergestellte Fuge auszufüllen.

Bei sehr geringen Shore-Härten könnte die Steifigkeit des Systems insgesamt zu gering sein, so daß erfindungsgemäß zusätzlich vorgesehen ist, den Füllkörper an der der Steg­ seite abgewandten Rückenteil mit einer Versteifung, z. B. einem Metallprofil, das unmittelbar nach der Herstellung des Füllkörpers in dessen Rückenteil gepreßt wird, zu versehen. Anstelle eines Metallprofiles kann jedoch auch ein Kunst­ stoffprofil verwendet und integral eingeschäumt oder nach­ träglich aufgeklebt oder eingepreßt werden.

Anhand eines Ausführungsbeispieles soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Füllkörper in perspektivi­ scher Ansicht,

Fig. 2 den Füllkörper in Einbauposition bei einem lärmre­ duzierten Eisenbahnoberbau,

Fig. 3 eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Füllkörpers in Einbauposition analog Fig. 2.

Der Füllkörper 1 aus einem Elastomeren, mit einer Shore-Här­ te D 25 hat eine Länge von etwa 650 mm, was etwa einer Schwellenteilung entspricht. Auf dieser Baulänge sind acht kammerartige Abschnitte untergebracht, von denen in Fig. 1 vier zu sehen sind. Die Kammern werden begrenzt durch den oberen Flansch 2, den unteren Flansch 3, die Rückseite 4 und die Rippen 5 des Füllkörpers 1, die aus homogenem Material bestehen. Die Rippen 5 sind um Maß a gegenüber der Vorder­ kante, dargestellt durch die Pfeile des Öffnungsmaßes d, zurückgesetzt und weisen eine Dicke c auf. Die Oberflächen der Kammerwände sind durch entsprechende Schäummittel porig gestaltet, um Luftschall weitmöglichst absorbieren zu kön­ nen. Das Abstandsmaß von Schienenkopf und Schienenfuß ist durch den Pfeil e dargestellt, das ist die Lücke, in die gemäß Fig. 2 der Füllkörper 1 zwischen dem Schienenkopf 12 und dem Schienenfuß 10 geklemmt ist. Die Enden 6 und 7 des Füllkörpers können einwärts oder auswärts abgeschrägt sein, so daß benachbarte Füllkörper nach Art eines Gehrungsschnit­ tes den daneben liegenden Füllkörper 1 überdecken können und so eine lückenlose Deckelung des Stegbereiches 11 an der Schiene erreicht wird.

Der in Fig. 2 dargestellte erfindungsgemäße Eisenbahnoberbau mit der Schiene, Schienenfuß 10, Schienensteg 11, Schienen­ kopf 12, zeigt eingeklemmte Füllkörper 1 sowie die Schienen­ befestigungselemente, Schraube 16 und Spannklemme 17, welche den Schienenfuß 10 elastisch auf einer Zwischenlage 15 und letztlich auf der Unterschwellung 14 verspannen. Der Füll­ körper 1 ist in Vorderansicht des Endes 6 (Fig. 1) dargestellt, wobei mit 2 der obere Flansch, mit 3 der untere Flansch und mit 4 die Rückseite des Füllkörpers bezeichnet sind. Die Rippe 5 ist um das Maß a zum Steg 11 zurückgesetzt. Es ist leicht zu erkennen, daß Schwingungen des Steges in den kammerartigen Hohlräumen des Füllkörpers absorbiert werden, wie dies von akustisch wirksamen Verklei­ dungen in schalldichten Räumen bekannt ist. Ein Spannbügel 8, der von der Schraube 16 gehalten wird, kann den eingeklemmten Füllkörper 1 dauerhaft unter Spannung an die Schiene drücken.

Erforderlichenfalls kann ein U-förmiger oder sonstwie stabi­ lisierter Kunststoffstreifen größerer Härte als Versteifung 9 in die rückwärtigen Teile des Füllkörpers 1 integriert werden, um so den Füllkörper zwischen seinen Spann- und/ oder Klemmstellen besser oder dauerhafter in Sollage zu hal­ ten.

Fig. 3 zeigt schließlich eine Kombination einer Schienenfuß­ ummantelung 18, 19 mit einem Füllkörper 20, der mit den be­ reits beschriebenen kammerartigen Abschnitten, gebildet aus den Teilen 21, 22, 23, 24 des Füllkörpers 20. Der taschen­ artige Fortsatz 18 greift außerhalb des Bereiches der Unter­ schwellung bzw. der Schienenbefestigung um den Schienenfuß 11. Er kann maximal bis zur Schienenfußmitte reichen und so separate Schienenfußummantelungen ersetzen.

Versuche haben gezeigt, daß eine derartige Konstellation bei Belastung durch ein Rad an der mit 13 bezeichneten Stelle des Schienenkopfes im Bereich bis 200 Hz eine relativ gerin­ ge aber noch merkbare Pegelminderung von 2 bis 3 dB erzeugt. Dies liegt daran, daß in diesem niederfrequenten Bereich offensichtlich das Gesamtsystem noch in der Lage ist, als Koppelsystem mitzuschwingen. Dadurch wird - wie für sich bekannt - eine zwar höhere Körperschalldämpfung erzielt, jedoch nur die genannte geringe Luftschalldämpfung. Im Be­ reich von 250 Hz bis 1000 Hz ist bereits eine Pegelminderung um 5 bis 10 dB festzustellen, während im Bereich von 1 kHz bis 5 kHz läßt sich isoliert für die Schiene eine Pegelredu­ zierung von 25 bis 30 dB messen, wobei jedoch zu berücksich­ tigen ist, daß in der Praxis ein überrollendes Rad den Hauptanteil an Luftschall erbringt, so daß die theoretisch extrem starke Luftschallreduzierung nur tatsächlich subjek­ tiv um 5 bis 8 dB bemerkbar ist. Es bleibt jedoch eine po­ tentielle Luftschallreduzierung von 25 bis 30 dB. Zugleich ließ eine Körperschallreduzierung um 3 dB - 4 dB im hohen Frequenzbereich nachweisen, die durch eine zusätzliche Schienenfußummantelung auf 5 bis 7 dB erhöht werden konnte. Eine Verminderung von 5 dB entspricht subjektiv einer um 25 % reduzierten Lautstärke. Die besten Werte werden also er­ reicht, wenn Schienenfuß und Steg mit den genannten Formtei­ len umkleidet werden.

Claims (11)

1. Lärmreduzierter Eisenbahnoberbau mit elastischer Schie­ nenbefestigung, bei dem der Schienenfuß auf einer ela­ stischen Zwischenlage aus Kunststoff ruht, die den Schienenfuß auch seitlich und teils von oben umgreift (nach Patentanmeldung 44 11 833.3), dadurch gekenn­ zeichnet, daß die auf einer Unterschwellung (14) befe­ stigten Schienen (10-12) mit zwischen Schienenkopf (12) und Schienenfuß (10) geklemmten, den Schienensteg (11) kontinuierlich deckelnden Füllkörpern (1, 20) ver­ sehen sind, welche stegseitig aneinandergereihte, offe­ ne, kammerartige Abschnitte aus thermoplastischem Kunststoff, ausgewählt aus der Gruppe Elastomere und Polyethylen, mit geringer Shore-Härte aufweisen.

2. Eisenbahnoberbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Abschnitte durch Strukturierung oder Po­ rigkeit der inneren Oberfläche oder mindestens teilwei­ ser Füllung mit faserigem oder zelligem Werkstoff schallabsorbierend gestaltet sind.

3. Eisenbahnoberbau nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge (b) der Abschnitte etwa 0,5 bis 3 mal der Höhe (e) des Steges (11) entspricht und durch nicht bis zum Steg (11) reichende Rippen (5, 21) begrenzt wird.

4. Eisenbahnoberbau nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge (f) der Füllkör­ per (1, 20) etwa einem Rasterabstand der Schienenbefes­ tigungen (16, 17) oder der Unterschwellung (14) der Schiene entspricht.

5. Eisenbahnoberbau nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei benachbarte Füllkörper (1, 20) mittels eines Spannelementes (8) im Bereich der Schienenbefestigung (16, 17) gehalten werden.

6. Eisenbahnoberbau nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllkörper (1, 20) an ihrer Oberseite etwa komplementär zur Kontur der Unter­ seite des Schienenkopfes (12) und an ihrer Unterseite etwa komplementär zur Kontur der Oberseite des Schie­ nenfußes (10) ausgebildet ist.

7. Eisenbahnoberbau nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsbreite des Füllkörpers (1, 20) maximal etwa gleich der halben Breite des Schienenfußes (10) ist.

8. Eisenbahnoberbau nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschnitte der Füllkör­ per (1, 20) eine Shore-Härte D von 10 bis 60, vorzugs­ weise 15 bis 35, aufweisen.

9. Eisenbahnoberbau nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllkörper (1, 20) auf der vom Schienensteg (11) abgewandten Seite eine Ver­ steifung (9) aufweisen.

10. Eisenbahnoberbau nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllkörper (20) an sei­ nen rückwärtigen (24) oder unterem (23) Teil einen ta­ schenartigen Fortsatz (18) aufweist, der den Schienen­ fuß (10) mindestens teilweise umgreift.

11. Verwendung einer einen Schienenfuß mindestens teilweise umgreifenden elastischen Zwischenlage aus Kunststoff, ausgewählt aus der Gruppe Elastomere und Polyethylen für den Eisenbahnoberbau (nach Patentanmeldung P 44 11 833.3) als Schalldämpfungsmittel in Kombination mit einem aus gleichartigen Materialien bestehenden, zwi­ schen Schienenkopf (12) und Schienenfuß (10) geklemmten Füllkörper (1, 20), der zum Schienensteg (11) hin offe­ ne kammerartige Abschnitte besitzt.