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Stoßverbindung für Träger, insbesondere für Eisenbahnschienen Es besteht
vielfach das Bedürfnis, zwei Körper derart miteinander zu verbinden, daß die Verbindung
Kräfte, die in einer bestimmten Richtung wirken, starr überträgt, andererseits aber
Kräfte, die senkrecht zu den erstgenannten wirken, federnd aufnimmt. Eine solche
Verbindung ist z. B. der Schienenstoß, also die Verbindung zweier aneinanderstoßenden
Schienen in einem Eisenbahngleis.
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Es ist bekannt, daß dieser Stoß die schwache Stelle jeden Oberbaues
ist. Der Stoß soll auf der einen Seite gegenüber der Verkehrsbelastung eine starre
Verbindung herstellen, andererseits aber soll er die Wärmebewegungen der Schienen
zulassen und verarbeiten, also eine Bewegung der beiden Schienenenden zueinander
gestatten. Diese beiden Anforderungen scheinen sich zu widersprechen und einander
gegenseitig auszuschließen. Bei den bisher in Gebrauch befindlichen Stoßbauarten
konnte daher die Verbindung zwischen Schiene und Laschen nicht dauerfest ausgebildet
werden, da sie ja die Bewegung der Schienenenden gegeneinander zulassen mußte. Die
daraus sich ergebenden Mängel dieser Schienenstoßbauarten sind zu bekannt, als daß
sie eingehend beschrieben werden müßten. Die Schraubenverbindung der Schienen und
Laschen lockert sich unter der Wirkung der Verkehrslast, die noch dazu dynamisch
erheblich verstärkt wird, schnell, die Schrauben müssen immer wieder angezogen und
laufend überwacht werden. Bei den trotzdem unvermeidlichen Bewegungen im Stoß wird
die Laschenkammer durch die Kniehebelwirkung zwischen Lasche und Schiene bald ausgeschlagen,
und schließlich ist eine ausreichend starre Verbindung überhaupt nicht mehr zu erzielen.
Bei der zunehmenden Geschwindigkeit der Züge ist aber eine genügend starre Stoßverbindung,
die auch den stoßartig wirkenden Beanspruchungen gegenüber auf die Dauer fest bleibt,
besonders wichtig, damit nicht der Stoß schließlich die Geschwindigkeit beschränkt
oder jedenfalls die Kosten für die Unterhaltung nicht unwirtschaftlich hoch werden
läßt. Ein schwacher Stoß verteuert und erschwert aber nicht nur die Unterhaltung
des Oberbaues, die Stöße bilden auch die Schlaglöcher im Schienenweg, sie zwingen
zu einer weitgehenden Abfederung der Fahrzeuge und verteuern die Fahrzeugunterhaltung.
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Diese Mängel soll der Erfindergedanke beseitigen. Er macht sich die
Tatsache zunutze, daß ein Körper mit stark unsymmetrischem Querschnitt, auf die
beiden Hauptachsen dieses Querschnittes bezogen, zwei ganz v erschieden
große
Trägheitsmomente besitzt. Stellt man einen solchen Körper, z. B. ein Flacheisen,
hochkant und beansprucht ihn auf Biegung um die kurze Querschnittachse, so wird
er in den Grenzen der zulässigen Festigkeit praktisch keine elastische Formänderung
erleiden, die Kraft also starr aufnehmen. Das gleiche ist der Fall, wenn derselbe
Körper in der Richtung seiner Längsachse, also senkrecht zum Querschnitt, auf Zug
oder Druck beansprucht wird. Legt man aber dag Flacheisen auf die flache Seite und
biegt es um die große Querschnittachse, so wird es in den Grenzen der zulässigen
Festigkeit eine elastische Formänderung erleiden oder zulassen. Während also ein
Körper mit unsymmetrischem Querschnitt, in zwei Raumachsen beansprucht, in den Grenzen
der Festigkeit starr ist, läßt er, in der dritten Raumachse auf Biegung beansprucht,
elastische Formänderungen zu. Nun wirken die Kräfte, die den Oberbau beanspruchen,
in den drei Raumachsen des Schienenprofils: der Raddruck in der senkrechten, die
Seitenkräfte in der waagerechten, senkrecht zur Gleisachse, beide also in der Ebene,
die senkrecht auf der Gleisachse steht. Die dritte der auf das Gleis wirkenden Kräfte,
die sich aus den Wärmebewegungen der Schiene ergibt, wirkt in Richtung der Gleisachse,
also genau senkrecht zur Ebene, in der die beiden ersten Kräfte wirken. Es besteht
also eine ganz klare Scheidung der wirkenden Kräfte nach der Richtung. Die beiden
erstgenannten Kräfte werden von der Verkehrsbelastung ausgeübt, die letztgenannte
ist eine Kraft, die im Gleis selbst entsteht, Sie ist erheblich größer als die Verkehrslast.
Eine Lasche, die steif ist für die Übertragung der Verkehrslast, kann also imstande
sein, die Wä rmespannungen federnd zu verarbeiten. Es wirken noch Kräfte, die aus
der Verkehrslast stammen, in Richtung der Gleisachse, nämlich die Anfahr- und Bremskräfte.
Es gibt sicher wirkende Vorrichtungen, die diese Kräfte abfangen und vom Stoß fernhalten.
Sie stören also nicht die klare Kräfteverteilung im Stoß. ` Man kann nun den Schienenstoß
bei geeigneter Ausbildung befähigen, die Kräfte aus der Verkehrsbelastung starr
zu übertragen bei gleichzeitig federnder Verarbeitung der Kräfte aus den Wärmebewegungen.
Man kann also, da die Wärmebewegung der beiden Schienenenden zueinander federnd
verarbeitet wird, die Verbindungen des Stoßes, von der Lasche zur Schiene und von
Laschenteil zu Laschenteil, völlig starr durch kräftige Nietung oder durch gegen
Lösung gesicherte Verschraubung, aber auch, soweit wie möglich, durch Schweißung
metallisch herstellen. Es ist dann nur eine konstruktive Aufgabe, den Stoß gegen
Verkehrsbeanspruchung so auszubilden, daß er ebenso starr ist wie die durchgehende
Schiene. Man spart dann die zusätzliche Schwelle oder die Doppelschwelle, die bei
dem jetzigen schwachen Stoß erforderlich sind, um die frei tragende Länge der miteinander
verbundenen Schienenenden möglichst klein zu halten. Der neue Stoß bedarf keiner
laufenden besonderen Überwachung und Unterhaltung.
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Man könnte befürchten, daß die federnd beanspruchten Teile der neuen
Stoßverbindung der Gefahr der Ermüdung und des Dauerbruchs ausgesetzt sind. Das
trifft nicht zu, da die federnde Bewegung nur einmal im Jahr vom größten positiven
zum größten negativen Wert geht.
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In der beiliegenden Zeichnung sind beispielsweise verschiedene Ausführungsformen
des Erfindergedankens dargestellt. Die Verbindungsstücke, die Laschen, sind in der
ersten Gruppe (Fig. i und 2 sowie 3 und 4) als geschlossene Federschlingen, man
kann sie auch als doppelte Membran bezeichnen, ausgebildet (a in Fig. i und 2, b
in Fig. 3 und q.-. Die Verbindung der Laschen mit den Schienen kann entweder lösbar
durch Nieten und Schrauben erfolgen oder unlösbar durch Preßschweißung nach dem
Abschmelzverfahren, elektrische Widerstandsschweißung, sowie, wie in Fig. i und
2 links, durch eine Kombination von Nietung und von durch Schmelzschweißen hergestellte
Kehlnähte.
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Die Laschen können ungeteilt durch Biegen um i8o° oder geteilt hergestellt
werden, wobei die Verbindung der Laschenteile z. B. durch Vernietung oder Verschraubung
oder durch Preßschweißen hergestellt werden kann. In Fig. 3 und d. sind die Federplatten,
die die doppelte Membran bilden, vor Kopf der Schienenenden gesetzt, so daß sie
einen Teil der Schienenlauffläche bilden. Auf der linken Seite der Fig.3 und 4.
sind die Laschenfüße durch Preßschweißung mit der Federplatte verbunden, die Laschenfüße
sind mit der Schiene vernietet, wobei sie um den Schienenfuß herumgeführt werden
können, um die Verbindung dauerfest zu machen. Auf der rechten Seite sind die Platten
durch Preßschweißung mit der Schiene vor Kopf verbunden. Die Verbindung kann auch
durch eine um das Schienenprofil herumlaufende Kehlnaht hergestellt werden.
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Die Federschlinge nach Fig. i und 2 sowie 3 und d. wird wie folgt
beansprucht: Der Raddruck beansprucht die Schenkel der Schlinge durch Biegung um
die kurze Querschnittachse. Der gefährliche Querschnitt liegt in den freien Enden
der Schlinge. Sie ist also dort ausreichend kräftig auszubilden.
Der
Seitendruck beansprucht die Schenkel der Federschlinge durch Druck bzw. Zug. Es
kommt eine kleine Komponente durch Biegung um die lange Querschnittachse dazu, die
an sich unerwünscht ist. Die Seitenkräfte aus der Verkehrslast sind aber so gering,
daß die Komponente auf jeden Fall starr übertragen wird.
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Die Kräfte aus den Wärmebewegungen wirken auf Biegung um die lange
Querschnittachse.
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In Fig. 5 und 6 werden die beiden Schienenenden durch eine Federgabel
verbunden, die auf der Unterseite der Schienen sitzt. Der eine Laschenfuß ist mit
dem Schienenfuß durch Preßschweißung verbunden, der andere Laschenfuß mit dem anderen
Schienenende etwa durch Vernietung. Wenn die Achse der Federgabel in die Schienenlücke
fiele, dann würden die Zinken der Gabel durch den Raddruck auf Biegung beansprucht.
Beide sind deshalb so gegeneinander versetzt, daß das zweite Schienenende auf dem
ersten Laschenfuß auflagert (bei c in Fig. 5). Die Federgabel ist geteilt. Beide
Teile sind durch einen Schrumpfring (d in Fig. 5 und 6) miteinander verbunden.
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In Fig.7 und 9 wird das eine Schienenende durch eine Brennschneidmaschine
unter dem Kopf ausgeschnitten. In den Ausschnitt wird der Fuß einer Z-förmigen Lasche
eingeführt und mit dem- Kopf der Schiene durch Preßschweißen verbunden. In Fig.7
und 8 links wird die Unterseite des Laschenfußes durch Kehlnaht mit dem Schienensteg
verbunden. In Fig. 8 rechts und 9 wird zwischen der abgeschrägten Unterseite des
Laschenfußes und dem Schienenfuß beiderseits ein Paßstück durch Preßschweißen eingeschweißt.
Auf dem freien zweiten Laschenfuß (f in Fig. 7 und 9) ruht das zweite Schienenende
auf, mit dem Laschenfuß durch Niete oder Schrauben verbunden. Beim Öffnen oder Schließen
der Stoßlücke wird die Z-förmige Lasche um den oberen Knickpunkt auf- oder zugebogen,
wenn auch nur um einen kleinen Winkel. Dabei hebt oder senkt sich das eine Schienenende
gegen das andere. Der Höhenunterschied beträgt aber bei ganz geöffneter oder ganz
geschlossener Stoßlücke höchstens o,2 mm. Dieser Höhenunterschied stellt sich nur
ein bei ganz hoher oder ganz tiefer Temperatur. Er ist also so gering, daß er keine
Rolle spielt.
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Bei Niet- oder Schraubenverbindungen wird man die Nieten oder Schrauben
durch geeignete Anordnung entlasten, z. B. wie in Fig. i und 2 bei g durch Nut und
Feder und in Fig.5 und 6 durch Klammern, welche Schienenfuß und Laschenfuß umfassen.
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Die neuen Stoßverbindungen haben den Vorteil, daß die Schienenenden
bis zur Stirnfläche gefaßt werden, so daß kein Hämmern durch das Federn des freien
Schienenendes, wie beim jetzigen Stoß, auftritt.
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Die Schweiß- und Nietverbindungen wird man, soweit als möglich, im
Herstellerwerk vornehmen lassen, so daß nur die Schlußarbeiten auf der Baustelle
im Gleis hergestellt zu werden brauchen. Um diese Arbeiten schnell und sicher verrichten
zu können, wird man zweckmäßig einen Gleisbauwagen schaffen, der neben einer Stromerzeugungsanlage
(etwa einem Dieseldynamo) alle erforderlichen Arbeitsmaschinen enthält, und zwar
je nach der Ausführungsform; die man wählt, Nieterhitzer und Nietmaschinen oder
Stumpfschweißmaschinen der erforderlichen Sonderbauart zur Herstellung der Preßschweißarbeiten.
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Im allgemeinen werden Preßschweißungen auf Stumpfschweißmaschinen
universaler Bauart hergestellt. Diese Maschinen sind für das Verschweißen von Körpern
von ungefähr gleichen Querschnitten eingerichtet. Handelt es sich aber, wie beim
Gleisbau, um eine Massenarbeit, so wird man Sonderbauarten entwickeln und verwenden,
die die immer wieder vorkommenden gleichen Arbeiten schnell und sicher verrichten
. können. Die Stumpfschweißmaschinen des Gleisbauwagens wird man z. B. so einbauen
und so einrichten, daß sie mit wenigen Griffen in die Arbeitsstellung gebracht werden
können und dann die beiden zu verbindenden Schienenenden so fassen, daß sie selbsttätig
in die richtige Lage zueinander kommen, in der dann die zu verbindenden Teile unter
Strom aufeinandergepreßt werden. Die Arbeiten können mit zwei Maschinen gleichzeitig
in beiden Schienen vorgenommen werden. Je nach der Temperatur im Augenblick der
Gleisverlegung muß die Stoßlücke verschieden weit eingestellt werden. Das kann man,
indem man die Laschen usw. in ihren Abmessungen entsprechend verschieden abstuft.
Man kann aber auch die Verbindungsteile für eine bestimmte mittlere Lückenweite
bemessen und bei Bedarf die Lücke nach Herstellung der Stoßverbindung durch Druck
und Zug vor dem Festlegen der Schienen auf den Schwellen erweitern oder verengen.
Im allgemeinen wird man mit einer mittleren Lückenweite auskommen.
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Die Ausführungsformen lassen sich den verschiedenen Verwendungszwecken
anpassen. So wird sich z. B. die Form nach Fig. i und 2 links zur Herstellung erster
Versuchsstöße eignen. Einzelne Formen, wie z. B. Fig. i und 2 rechts, eignen sich
dazu, die neue Stoßverbindung in einem im Betrieb befindlichen Gleis nachträglich
einzubauen, während
die Ausführungen nach Fig.3 und q. sowie 7
bis 9 sich nur für neu zu verlegenden Oberbau eignen dürften.
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Man muß auch Vorsorge treffen für den Fall, daß, z. B. bei Unfällen,
einzelne Schienen ohne Gleisbauwagen ausgewechselt werden müssen. Man kann dazu
dicht am Stoß die normalen Schraubenlöcher von vornherein vorsehen. Im Bedarfsfall
schneidet man dann den Kopf der letzten liegenbleibenden Schiene mittels Brennschneidmaschine
ab und stellt die Verbindung zunächst mit der zur Zeit normalen Lasche her, um dann
nach Heranführen des Gleisbauwagens die Verbim-Jung endgültig herzustellen.
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Bei elektrischen Bahnen wird durch den neuen Stoß die Stoßüberbrückung
für die Rückleitung des Fahrstromes gespart.
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Der Federlaschenstoß ist natürlich erheblich teurer als die bisherige
Bauart. Da man aber, wie bereits ausgeführt, bei Einführung des neuen Stoßes für
jede Schienenlänge eine Schwelle erspart oder statt einer Doppelschwelle nur eine
einfache Schwelle einzubauen braucht, dürfte der Preisunterschied mehr als ausgeglichen
sein.
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Es wird Bedacht darauf zu nehmen sein, daß das Stopfen der Schwellen
durch den neuen Stoß nicht behindert wird. Bei den Ausführungsformen, bei denen
die Laschen weit nach beiden Seiten ausladen, wird man den Stoß dicht neben die
Schwelle legen. Da die unterste Kante der Lasche genügend weit über der unteren
Schwellenkante liegt, wird das Stopfen dann nicht behindert. Das Heranlegen des
Stoßes an die Schwelle ist unbedenklich möglich, da man, wie bereits ausgeführt,
den Federlaschenstoß so ausbilden kann, daß er ebenso starr ist wie die durchgehende
Schiene.