EP1305199B1 - Hülsenpuffer - Google Patents

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EP1305199B1
EP1305199B1 EP01956561A EP01956561A EP1305199B1 EP 1305199 B1 EP1305199 B1 EP 1305199B1 EP 01956561 A EP01956561 A EP 01956561A EP 01956561 A EP01956561 A EP 01956561A EP 1305199 B1 EP1305199 B1 EP 1305199B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
moving member
plunger
buffer
displacement
guide sleeve
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP01956561A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP1305199A1 (de
Inventor
Sieghard Schneider
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Individual
Original Assignee
Individual
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Publication date
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Publication of EP1305199A1 publication Critical patent/EP1305199A1/de
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Publication of EP1305199B1 publication Critical patent/EP1305199B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61G—COUPLINGS; DRAUGHT AND BUFFING APPLIANCES
    • B61G11/00—Buffers
    • B61G11/16—Buffers absorbing shocks by permanent deformation of buffer element

Definitions

  • the invention relates to a sleeve buffer according to the preamble of claim 1.
  • a sleeve buffer is known from US-A-4,624,493.
  • sleeve buffers for freight cars or locomotives, as for example, from the book "Electric traction vehicles” by K. Sachs, Volume 1 "General principles and mechanical part", Springer-Verlag Vienna, New York, 1973, p 656 ff.
  • the known sleeve buffers have a buffer housing which has a base plate (buffer bottom) which can be fastened to the vehicle frame and a guide sleeve integrally attached thereto as immovable component and a ram displaceable relative to the guide sleeve with a front-side buffer plate as a movable component.
  • a spring element or a spring-damper element is arranged in the interior of the buffer housing.
  • the travel of typical pod buffers is 100 to 105mm, in exceptional cases 150mm.
  • the housing length is usually between 620 and 650mm. So it is only a small part of the total length usable as travel to shorten the buffer. With a strong impact load, which exceeds the energy absorption capacity of the buffer, it may come through the buffer with subsequent overloading and deformation of the support structure of the rail vehicle.
  • a sleeve buffer for rail vehicles is already known - with a buffer housing, which consists of a fixedly attached to the support structure bottom plate, attached to the bottom plate guide sleeve, and a movable relative to the guide sleeve movement member.
  • the moving member is guided during its displacement movement of the guide sleeve.
  • the wall of the moving member is weakened at one point, whereby a controlled deformation of the moving member without deformation or change in position of the bottom plate takes place when the moving member stops on the bottom plate.
  • the force transmitting member is further pressed together in the deformation of the moving member, with the result that the spring force further increases and the force increase, which causes the deformation of the moving member, additively superimposed.
  • the deformation path in relation to the travel is very small, whereby the energy consumed in the deformation is relatively low.
  • the guide sleeve in addition to the normal displacement path of the moving member, the guide sleeve must be shortened by the deformation path, which has the further consequence that the overlap length between the moving member and guide member is reduced.
  • Each sleeve buffer comprises a moving member which is slidably mounted in a deformable sleeve, which is fixed with its rear end face to the support structure of the vehicle.
  • a Power transmission member arranged in the form of a compressive element surrounding the moving member, which is maximally compressed in the normal state.
  • the object of the invention is in contrast to form a sleeve buffer of the type mentioned in such a way that at significantly increased energy absorption, the additional shortening of the buffer is in the order of the spring travel and the displacement of the moving member takes place at a substantially constant level of force.
  • first embodiment of a sleeve buffer 1 consists of a buffer housing 10 having a fixed part and a movable part. 1 shows the sleeve buffer 1 in its rebounded basic position (position A in FIG. 4).
  • the immovable part of the buffer housing 10 comprises a bottom plate 11 (buffer bottom), which is attached to a support structure 2, in particular the vehicle frame of a rail vehicle, not shown, for example screwed.
  • the bottom plate 11 carries a tubular guide sleeve 12 and is preferably integrally connected to one end face of the guide sleeve 12, for example, welded.
  • the movable part of the buffer housing 10 consists of a moving member 13 in the form of a plunger, which is slidable within the guide sleeve 12 on the inner wall thereof.
  • the inner wall of the guide sleeve 12 takes on the executives to slide the moving member 13 in the radial direction.
  • the excellent from the guide sleeve 12 end face of the moving member 13 is closed with a buffer plate 14, to which impact forces are applied in particular when maneuvering the rail vehicle.
  • the movement member 13 and the guide sleeve 12 to limit the friction and to protect against self-locking by tilting a certain minimum overlap length to the guide even with lateral, generated by friction on the buffer plate 13 operating loads or eccentric or oblique operating loads (eg curves / S -Curve ride on rail vehicles) to ensure.
  • both parts 12, 13 in mutual displacement respectively the required space for freedom.
  • the demand for the largest possible overlap length of guide sleeve 12 and the movement member 13 struggles with the opposing requirement that at a deformation the parts 12, 13 can move significantly beyond the normal travel (stroke), without thereby increasing the overall length of the buffer.
  • the sleeve buffer 1 according to the invention seen from the outside has the shape and dimensions of a known sleeve buffer.
  • parts of the buffer housing are used after exceeding the normal travel beyond their normal leadership function for energy absorption by deformation.
  • This may be the guide sleeve 12 or the movement member 13 or even both components 12, 13, at the same time or offset in time.
  • the deformation takes place here in such a way that length proportions of these components 12, 13, which contribute to the overlap and thus to the leadership in normal operation, are shortened.
  • a power transmission member 20 which is arranged between the movement member 13 and guide sleeve 12 and serves in normal operation for transmitting the longitudinal force, the additional Foreshortening and this does not generate an inadmissibly high level of force.
  • two spring elements 21, 22 of different diameters are arranged in the interior of the housing 10 as a force transmission member 20 between the parts 12, 13 and coupled together by a coupling member 23.
  • the coupling member 23 is designed so that when it exceeds a limit load, e.g. shears off at a predetermined breaking point and so allows that the two spring elements 21, 22 telescopically merge without transmitting long forces.
  • the coupling member 23 has in the illustrated example case ( Figures 1 to 3) has the shape of a disc with a flat profile. Instead of a flat profile can in a manner not shown, a pot-shaped or hat-shaped profile for the disc the coupling member 23 may be provided.
  • the left end of the first spring element 21 is supported against the inner surface of the buffer plate 14, while the right end of the second spring element 22 is supported against the inner surface of the bottom plate 11.
  • the coupling member 23 has in the vicinity of its outer edge a predetermined breaking point 24 in the form of opposite annular grooves.
  • the position of these annular grooves is chosen so that the first spring element 21 radially on the other side of the annular grooves and the second spring element 22 on this side of the annular grooves on the coupling member 23 are supported.
  • the coupling member 23 ruptures when exceeding a maximum load or when reaching a maximum displacement path within the buffer housing 10 at the predetermined breaking point 24, as shown in FIG. 3 can be seen.
  • the break of the coupling member 23 means that the coupling effect on the spring elements 21 and 22 is turned off.
  • the spring element 22 with the smaller diameter can then slide into the spring element 21 with the larger diameter.
  • FIG. 2 shows the sleeve buffer 1 in its maximum spring-loaded position (Pos. B. in Fig. 4).
  • the moving member 13 abuts the buffer bottom 11. From this position of the moving member 13, a further shift take place only with deformation of the guide sleeve 12, as illustrated in Fig. 3.
  • the integrally formed on the buffer plate 14 at the transition to the guide sleeve fillet 14a promotes entry the guide sleeve 12 in a failure mode, which initially widens them to the breaking point, then continuously induces continuous cracks in the longitudinal direction and everts the resulting individual segments 12a of the sleeve 12 to the outside. This type of failure has several advantages. First, the deformation begins progressively and without a force peak.
  • the guide sleeve 12 which has a relatively large wall thickness due to their dimensioning on operating loads, can then be deformed under not too high, uniform force level (solid line between Pos. B and Pos. C in Fig. 4).
  • the guide sleeve 12 can be completely consumed so practically without remaining residual length.
  • the remaining protruding segments 12a do not take up any length, nor do they hinder the progressive deformation process.
  • Another advantage is that the lateral guidance remains unimpaired or even increased over oblique or eccentric forces over the entire deformation path.
  • FIGS. 1 and 3 The various states of the inventive sleeve buffer 1 according to FIGS. 1 and 3 are explained with reference to the force-displacement characteristic shown in FIG. Following the range of normal operation between the positions A and B (travel 100 ... 105mm) takes place in the deformation region (between the positions B and C), a further shortening of the moving member 13 by about 200mm at a uniformly high level of force. In doing so, the full functionality of the sleeve buffer specified by standards is maintained.
  • FIG. 4 shows in detail, carried out in the range of normal operation, the displacement of the moving member 13 according to the characteristic of the series-connected spring elements 21 and 22 along the solid, bent curve.
  • the Kurvenknick results from the fact that the flatter curve branch of a softer spring characteristic of the series connection of the two spring elements 21 and 22 follows and that upon further displacement of the moving member 13, the softer of the two spring elements 21, 22 stops and then the stiffer of the two spring elements with his steeper characteristic curve for the force-displacement curve becomes effective. With the dashed curve in the region of normal operation, the additional damping effect of the optionally provided hydraulic damper 30 indicated. At the end of the displacement travel of 100 mm (position B) breaks the coupling member 23 between the two spring elements 21 and 22, whereby the spring action of the spring elements 21, 22 abruptly stops, as can be seen by the slight, steep curve drop at 100 mm displacement path.
  • Another possibility for achieving favorable operational characteristics is the parallel connection of a dashed hydraulic damper 40, for example within the spring element 22 with the smaller diameter.
  • a higher energy consumption in normal operation can be achieved (dashed line between Pos. A and Pos. B in Fig. 4).
  • Fig. 1 it can be seen that the coupling member 23 abuts against a stop 30 or on the housing of the damper 40. Further, the moving member 13 is located on two or more, on the outer circumference of the coupling member 23 radially projecting pin 23a.
  • the stop 30 and the pins 23 a have the function of a triggering aid for the coupling member 23.
  • a sudden concentration of stress within the coupling member 23 can be generated exactly upon reaching a certain displacement position of the moving member 13, the leads to immediate triggering (failure and shearing) of the coupling member 23. This triggering takes place away-controlled.
  • the coupling member 23 fails force controlled by reaching its load limit. This type of failure can, regardless of the presence of tripping aids, e.g. the hydraulic damper 30, even before reaching the full compression travel of the spring elements 21, 22 done. Even if this process causes a temporary collapse in the force-displacement curve, this is certainly desirable in order to prevent the creation of impermissibly high force peaks.
  • Fig. 3 shows the sleeve buffer 1 in its end position at the end of the deformation region (Pos. C in Fig. 4). Large parts of the guide sleeve 12 have been deformed and stand off as individual segments 12a. It can be seen the sheared coupling member 23 and the telescopically nested spring elements 21, 22. The sleeve buffer 1 has reached its maximum possible shortening. Further deformation will be possible only under extreme force under total destruction and steeply rising force curve (Fig. 4, Pos. D).
  • a delay of the steep increase in force can be achieved that the moving member is made compressible, for example by local cross-sectional weakening.
  • the last phase of the deformation region there is additionally a deformation of the motion element 13, which until then has not been deformed, whereby a further displacement reserve at elevated force level is made possible (FIG. 4, dot-dash line C-D ').
  • FIG. 5 shows a variant of the sleeve buffer 1 shown in FIG. 1, in which the arrangement of the two spring elements 21, 22 is reversed and the release aid is dispensed with by pins 23a on the coupling member 23.
  • the stop 30 as a triggering aid is mounted here on the moving member 13. The Function of this variant does not change due to the reversed arrangement of the spring elements 21, 22.
  • a sleeve buffer 1 is shown, in which the moving member 13, the guide sleeve 12 engages around the outside.
  • the transition between guide sleeve 12 and bottom plate 11 may be rounded in order to promote a failure behavior of the movement member 13.
  • the maximum shift of the normal operating range (FIG. 4) is exceeded, the movement member 13 abuts on this rounding and begins to deform.
  • the rupturing and protruding segments form near the bottom plate 11.
  • the guide sleeve 12 may have an additional compression capacity.
  • FIG. 7 shows a sleeve buffer 1, in which, compared to the embodiment shown in FIG. 6, the two spring elements 21, 22 are interchanged. The function is not changed by this.
  • the moving member 13 instead of a metallic Material are used a fiber-reinforced plastic or composite materials formed from different materials, which occur in their geometry irregular, but in the force curve more uniform failure modes.
  • the sleeve buffer according to the invention Compared with known sleeve buffers results in the sleeve buffer according to the invention practically a tripling of the displacement path of 100 to 300 mm, without the support structure 2 (vehicle frame) of the rail vehicle is damaged.
  • a kinetic energy of about 200 kJ can be absorbed by deformation.
  • the deformed sleeve buffer needs to be replaced in case of deformation only by a new sleeve buffer. Since the sleeve buffers according to the invention have the same dimensions and fixings as known tube bumpers in use, existing rail vehicles can easily be retrofitted with the sleeve buffers according to the invention.

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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf einen Hülsenpuffer gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein derartiger Hülsenpuffer ist aus der US-A-4 624 493 bekannt.
  • Bei Hülsenpuffern für Güterwagen oder Lokomotiven, wie sie beispielsweise aus dem Buch "Elektrische Triebfahrzeuge" von K. Sachs, Band 1 "Allgemeine Grundlagen und mechanischer Teil", Springer-Verlag Wien, New-York, 1973, S. 656 ff. bekannt sind, werden nicht nur Stoßkräfte in Fahrzeuglängsrichtung, sondern auch Seitenkräfte in Fahrzeugquerrichtung aufgenommen. Die bekannten Hülsenpuffer weisen ein Puffergehäuse auf, welches eine am Fahrzeugrahmen befestigbare Bodenplatte (Pufferboden) und eine einstückig daran angebrachte Führungshülse als unbeweglichen Bestandteil und einen relativ zur Führungshülse verschiebbaren Stößel mit stirnseitigem Pufferteller als beweglichen Bestandteil aufweist. Der Stößel gleitet auf der Außen- oder Innenfläche der Führungshülse und wird von dieser geführt. Zwischen dem Pufferteller und der Pufferboden ist im Inneren des Puffergehäuses entweder ein Federelement oder ein Feder-Dämpferelement angeordnet. Der Federweg von typischen Hülsenpuffern beträgt 100 bis 105mm, in Ausnahmefällen 150mm. Die Gehäuselänge beträgt üblicherweise zwischen 620 und 650mm. Es ist also nur ein kleiner Teil der gesamten Baulänge als Federweg zur Verkürzung des Puffers nutzbar. Bei einer starken Stoßbelastung, die das Energieaufnahmevermögen des Puffers überschreitet, kann es zum Durchschlagen des Puffers mit anschließender Überlastung und Deformation der Tragstruktur des Schienenfahrzeugs kommen.
  • Um Deformationen der Tragstruktur auch bei hohen Stoßbelastungen von Hülsenpuffern weitgehend zu vermeiden, ist es aus der EP 0826569 A2 bekannt, zwischen dem Fahrzeugrahmen und jedem Hülsenpuffer eine Prallbox zur Energieverzehrung vorzusehen, welche bei Überschreitung eines zulässigen Grenzwertes für die Stoßbelastung deformiert wird. Der Nachteil dieser bekannten Aufprallschutzvoirichtung besteht darin, dass sie zur Nachrüstung vorhandener Güterwagen und Lokomotiven nicht geeignet ist, da die Gesamtlänge von Prallbox und Puffer die Einbaulänge und die Größe der Befestigungsplatte vorhandener Hülsenpuffer überschreitet.
  • Aus der DE-PS 462 539 ist bereits ein Hülsenpuffer für Schienenfahrzeuge - mit einem Puffergehäuse bekannt, welches aus einem ortsfest an der Tragstruktur befestigten Bodenplatte, einer an der Bodenplatte angebrachten Führungshülse, und einem relativ zur Führungshülse verschieblichen Bewegungsglied besteht. Das Bewegungsglied wird bei seiner Verschiebebewegung von der Führungshülse geführt. Ferner weist der bekannte Hülsenpuffer ein Kraftübertragungsglied in Form einer Feder zum nachgiebigen Kuppeln des Bewegungsgliedes mit der Tragstruktur auf. Die Wand des Bewegungsgliedes ist an einer Stelle geschwächt, wodurch beim Anschlag des Bewegungsgliedes auf die Bodenplatte eine kontrollierte Deformation des Bewegungsgliedes ohne Deformation oder Lageveränderung der Bodenplatte stattfindet. Indessen wird das Kraftübertragungsglied bei der Deformation des Bewegungsgliedes weiter zusammen gedrückt, was zur Folge hat, daß die Federkraft weiter ansteigt und sich dem Kraftanstieg, welcher die Deformation des Bewegungsgliedes bewirkt, additiv überlagert. In der Summe ergibt sich jedoch nach wie vor ein stoßartig ansteigender Kraftverlauf, dessen Kraftspitze lediglich verringert wird. Ferner ist der Deformationsweg im Verhältnis zum Federweg sehr klein, wodurch die bei der Deformation verzehrte Energie relativ gering ist. Schließlich muss bei der bekannten Konstruktion zusätzlich zum normalen Verschiebungsweg des Bewegungsgliedes die Führungshülse um den Deformationsweg verkürzt werden, was zur weiteren Folge hat, dass die Überdeckungslänge zwischen Bewegungsglied und Führungsglied verringert ist.
  • Es ist ferner aus der US-A-4 624 493 eine an zwei Hülsenpuffern gelagerte Stoßstange eines Kraftfahrzeugs bekannt, welche nach einer Stoßbelastung innerhalb eines zulässigen Grenzwertes in ihre ursprüngliche Lage zurückkehrt. Jeder Hülsenpuffer umfasst ein Bewegungsglied, das in einer deformierbaren Hülse gleitend gelagert ist, die mit ihrer hinteren Stirnseite an der Tragstruktur des Fahrzeugs befestigt ist. Zwischen einem Radialflansch (erstes Koppelglied) des Bewegungsgliedes und einem an der vorderen Stirnseite der Hülse befestigten Flansch (zweites Koppelglied) ist ein Kraftübertragungsglied in Form einer das Bewegungsglied umhüllenden Druckfeder angeordnet, die im Normalzustand maximal komprimiert ist. Bei einem Stoß auf das Bewegungsglied gibt das Kraftübertragungsglied über die beiden Koppelglieder den Stoß an die Hülse ungefedert weiter. Jeder Stoß auf das Bewegungsglied innerhalb der maximal zulässigen Belastung führt somit zu einer Deformation der Hülse, wobei die Deformation der Hülse durch ein die Hülse und die Druckfeder umgebendes Rohr der Tragstruktur des Fahrzeugs begrenzt wird. Nach erfolgter Deformation der Hülse entspannt sich das vorgespannte Kraftübertragungsglied und schiebt über den Radialflansch das Bewegungsglied und die damit verbundene Stoßstange in die Ausgangsposition zurück. Somit setzt erst nach einem Stoß innerhalb der maximal zulässigen Belastung die Wirkung des Kraftübernagungsgliedes ein, wobei die beiden Koppelglieder intakt bleiben. Bei einer Überschreitung der maximal möglichen Deformation der Hülse wird bei dem bekannten Hülsenpuffer die Tragstruktur beschädigt.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht demgegenüber darin, einen Hülsenpuffer der eingangs erwähnten Art derart auszubilden, dass bei deutlich gesteigerter Energieaufnahme die zusätzliche Verkürzung des Puffers in der Größenordnung des Federweges liegt und die Verschiebung des Bewegungsgliedes auf einem im wesentlichen gleich bleibenden Kraftniveau erfolgt.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Hülsenpuffers ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Die Erfindung wird an Hand eines in den Zeichnungen erläuterten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt:
    • Fig. 1
    einen schematischen Längsschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Hülsenpuffers in seiner ausgefederten Grundstellung;
    Fig. 2
    einen schematischen Längsschnitt durch das Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Hülsenpuffers nach Fig. 1 im Zustand maximaler Verschiebung ohne Deformation;
    Fig. 3
    einen schematischen Längsschnitt durch das Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Hülsenpuffers nach Fig. 1 eines im Zustand maximaler Verschiebung bei Deformation;
    Fig. 4
    ein Kraft-Weg-Diagramm für die an Hand der Figuren 1 bis 3 veranschaulichten Zustände eines erfindungsgemäßen Hülsenpuffers und
    Fign. 5 bis 7
    schematische Längsschnitte durch weitere Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Hülsenpuffers.
  • Die in den Figuren 1 bis 3 veranschaulichte erste Ausführungsform eines Hülsenpuffers 1 nach der Erfindung besteht aus einem Puffergehäuse 10, das einen feststehenden Teil und einen beweglichen Teil aufweist. Dabei zeigt Fig. 1 den Hülsenpuffer 1 in seiner ausgefederten Grundstellung (Position A in Fig. 4).
  • Der unbewegliche Teil des Puffergehäuses 10 umfaßt eine Bodenplatte 11 (Pufferboden), welche an einer Tragstruktur 2, insbesondere dem Fahrzeugrahmen eines nicht gezeigten Schienenfahrzeugs befestigt, beispielsweise angeschraubt ist. Die Bodenplatte 11 trägt eine rohrförmige Führungshülse 12 und ist vorzugsweise mit der einen Stirnseite der Führungshülse 12 einstückig verbunden, beispielsweise verschweißt. Der bewegliche Teil des Puffergehäuses 10 besteht aus einem Bewegungsglied 13 in Form eines Stößels, welcher innerhalb der Führungshülse 12 an deren Innenwand gleitend verschiebbar ist. Die Innenwand der Führungshülse 12 nimmt dabei die Führungskräfte zur Gleitführung des Bewegungsgliedes 13 in radialer Richtung auf. Die aus der Führungshülse 12 hervorragende Stirnseite des Bewegungsgliedes 13 ist mit einem Pufferteller 14 abgeschlossen, an welchen Stoßkräfte insbesondere beim Rangieren des Schienenfahrzeugs angelegt werden.
  • Das Bewegungsglied 13 und die Führungshülse 12 benötigen zur Begrenzung der Reibung und zum Schutz vor Selbsthemmung durch Verkanten eine bestimmte minimale Überdeckungslänge, um die Führung auch bei seitlichen, durch Reibung am Pufferteller 13 erzeugten Betriebslasten oder bei exzentrischen oder schrägen Betriebslasten (z.B. bei Kurven/S-Kurven Fahrt von Schienenfahrzeugen) gewährleisten zu können. Gleichzeitig benötigen beide Teile 12, 13 bei gegenseitiger Verschiebung jeweils den erforderlichen Freiraum für Freigängigkeit. Die Forderung nach einer möglichst großen Überdeckungslänge von Führungshülse 12 und Bewegungsglied 13 kämpft mit der gegenläufigen Forderung, daß sich bei einer Deformation die Teile 12, 13 über den normalen Federweg (Hub) deutlich hinausgehend verschieben können, ohne daß sich dadurch die gesamte Baulänge des Puffers vergrößert. Dies bedeutet, daß der erfindungsgemäße Hülsenpuffers 1 von außen gesehen die Gestalt und die Abmessungen eines bekannten Hülsenpuffers aufweist.
  • Zur Erfüllung beider gegenläufiger Forderungen werden Teile des Puffergehäuses nach Überschreitung des normalen Federweges über ihre normale Führungsfunktion hinaus zur Energieaufnahme durch Deformation herangezogen. Dies kann die Führungshülse 12 oder das Bewegungsglied 13 sein oder auch beide Bauteile 12, 13, und zwar gleichzeitig oder zeitlich versetzt. Die Deformation findet hierbei in einer solchen Art statt, daß Längenanteile dieser Bauteile 12, 13, die im Normalbetrieb zur Überdeckung und damit zur Führung beitragen, verkürzt werden.
  • Eine weitere Bedingung für die erweiterte Verschieblichkeit bei begrenztem Kraftniveau besteht darin, daß ein Kraftübertragungsglied 20, welches zwischen Bewegungsglied 13 und Führungshülse 12 angeordnet ist und im Normalbetrieb zur Übertragung der Längskraft dient, die zusätzliche Verkürzung zuläßt und hierbei kein unzulässig hohes Kraftniveau erzeugt.
  • Bei bekannten Schienenfahrzeugpuffem lassen jedoch die üblicherweise verwendeten Kraftübertragungsglieder, beispielsweise Ringfedern, Elastomerfedern, Gummifedern mit oder ohne parallel angeordnete hydraulische Dämpfungselemente, infolge Blockbildung keine Verkürzung in der angestrebten Größenordnung zu.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Puffer 1 sind demgegenüber im Inneren des Gehäuses 10 als Kraftübertragungsglied 20 zwischen den Teilen 12, 13 zwei Federelemente 21, 22 verschiedenen Durchmessers hintereinander angeordnet und durch ein Koppelglied 23 miteinander gekoppelt. Das Koppelglied 23 ist so gestaltet, daß es bei Überschreitung einer Grenzbelastung z.B. an einer Sollbruchstelle abschert und so zuläßt, daß die beiden Federelemente 21, 22 teleskopartig ineinandergleiten ohne Langskrafte zu übertragen.
  • Das Koppelglied 23 besitzt im dargestellten Beispielsfall (Figuren 1 bis 3) die Form einer Scheibe mit ebenem Profil. Anstelle eines ebenen Profils kann in nicht gezeigter Weise auch ein topf- oder hutförmiges Profil für die Scheibe des Koppelgliedes 23 vorgesehen werden. Das linke Ende des ersten Federelementes 21 stützt sich gegen die Innenfläche des Puffertellers 14 ab, während das rechte Ende des zweiten Federelementes 22 sich gegen die Innenfläche der Bodenplatte 11 abstützt. Das Koppelglied 23 weist in der Nähe seines Außenrandes eine Sollbruchstelle 24 in Form von gegenüberliegenden Ringnuten auf. Die Lage dieser Ringnuten ist so gewählt, daß sich das erste Federelement 21 radial gesehen jenseits der Ringnuten und das zweite Federelement 22 diesseits der Ringnuten auf dem Koppelglied 23 abstützen. Das Koppelglied 23 reißt bei Überschreiten einer maximalen Belastung oder bei Erreichen eines maximalen Verschiebungsweges innerhalb des Puffergehäuses 10 an der Sollbruchstelle 24 ab, wie aus Fig. 3 ersichtlich ist. Der Bruch des Koppelgliedes 23 bedeutet, daß die koppelnde Wirkung auf die Federelemente 21 und 22 ausgeschaltet wird. Das Federelement 22 mit dem kleineren Durchmesser kann sich dann in das Federelement 21 mit dem größeren Durchmesser schieben.
  • Die Fig. 2 zeigt den Hülsenpuffer 1 in seiner maximal eingefederten Stellung (Pos. B. in Fig. 4). Das Bewegungsglied 13 stößt an den Pufferboden 11 an. Ab dieser Position des Bewegungsglieds 13 kann eine weitere Verschiebung nur unter Deformation der Führungshülse 12 stattfinden, wie in Fig. 3 veranschaulicht ist. Die am Pufferteller 14 am Übergang zur Führungshülse angeformte Ausrundung 14a begünstigt den Eintritt
    der Führungshülse 12 in eine Versagensart, die diese zunächst bis an die Bruchgrenze aufweitet, dann in Längsrichtung kontinuierlich weiterlaufende Risse induziert und die dadurch entstehenden einzelnen Segmente 12a der Hülse 12 nach außen umstülpt. Diese Versagensart hat mehrere Vorteile. Zum einen beginnt die Deformation progressiv und ohne Kraftspitze. Die Führungshülse 12, welche infolge ihrer Dimensionierung auf Betriebslasten eine relativ große Wandstärke aufweist, kann dann unter nicht zu hohem, gleichmäßigen Kraftniveau deformiert werden (durchgezogene Linie zwischen Pos. B und Pos. C in Fig. 4). Außerdem kann die Führungshülse 12 so praktisch ohne bleibende Restlänge vollständig aufgezehrt werden. Die verbleibenden abstehenden Segmente 12a beanspruchen keine Baulänge, und sie behindern auch nicht den fortschreitenden Deformationsvorgang. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die seitliche Führung gegenüber schrägen oder exzentrischen Kräften über den gesamten Deformationsweg unvermindert oder sogar gesteigert, erhalten bleibt.
  • Die verschiedenen Zustände des erfindungsgemäßen Hülsenpuffers 1 gemäß Figuren 1 und 3 sind an Hand der in Fig. 4 gezeigten Kraft-Verschiebungs-Charakteristik erläutert. Im Anschluß an den Bereich des Normalbetriebs zwischen den Positionen A und B (Federweg 100...105mm) findet im Deformationsbereich (zwischen den Positionen B und C) eine weitere Verkürzung des Bewegungsgliedes 13 um etwa 200mm bei gleichmäßig hohem Kraftniveau statt. Dabei wird die volle, durch Normen vorgegebene Funktionalität des Hülsenpuffers aufrechterhalten. Wie das Diagramm nach Fig. 4 im einzelnen zeigt, erfolgt im Bereich des Normalbetriebs die Verschiebung des Bewegungsgliedes 13 entsprechend der Kennlinie der seriengeschalteten Federelemente 21 und 22 längs der durchgezogenen, geknickten Kurve. Der Kurvenknick ergibt sich dadurch, daß der flachere Kurvenast einer weicheren Federkennlinie der Serienschaltung der beiden Federelemente 21 und 22 folgt und daß bei weiterer Verschiebung des Bewegungsgliedes 13 die weichere der beiden Federelemente 21, 22 auf Anschlag geht und dann das steifere der beiden Federelemente mit seiner steileren Kennlinie für den Kraft-Weg-Kurvenverlauf wirksam wird. Mit der gestrichelten Kurve im Bereich des Normalbetriebs ist die zusätzliche Dämpfungswirkung des optional vorgesehenen hydraulischen Dämpfers 30 angedeutet. Am Ende des Verschiebungsweges von 100 mm (Position B) bricht das Koppelglied 23 zwischen beiden Federelementen 21 und 22, wodurch die Federwirkung der Federelemente 21, 22 schlagartig aufhört, wie durch den geringfügigen, steilen Kurvenabfall bei 100 mm Verschiebungsweg ersichtlich ist. Da mit dem Bruch des Koppelgliedes 23 die Deformation der Führungshülse 12 durch Aufspaltung in Segmente 12a beginnt, wird der steile Kurvenabfall bei 100 mm sofort wieder aufgefangen und es steigt der Kraft-Weg-Kurvenverlauf bis zu einem Verschiebungsweg von 200 mm (Position C) auf ein praktisch gleichbleibendes Kraftniveau an. Dieses gleichbleibende Kraftniveau entspricht dem Zustand kontrollierter Deformation durch Aufspaltung der Führungshülse 12. Das Ende des Verschiebungsweges bei 200 mm entspricht dem in Fig. 3 dargestellten Zustand, wenn das Bewegungsglied 13 auf die Bodenplatte 11 aufschlägt. Die Kurve des Diagramms nach Fig. 4 geht dann in Richtung der Position D steil nach oben.
  • Zur Gewährleistung der Verkürzung des Kraftübertragungsgliedes 20 sind bei den Ausführungsbeispielen nach Figuren 1 bis 7 folgende Maßnahmen vorgesehen. Es werden zwei Federelemente 21, 22 (z.B. Ringfedern) mit unterschiedlichen Durchmessern verwendet. Ein scheibenförmiges Koppelglied 23 mit Sollbruchstelle 24 stellt die kraftschlüssige Verbindung im Normalbetrieb her. Es können zwei Federelemente 21, 22 unterschiedlicher Länge und/oder unterschiedlicher Steifigkeit und/oder unterschiedlicher Werkstoffe (Stahl/Elastomer/Gummi) verwendet werden, wodurch eine progressive Federkennlinie im Normalbetrieb erreicht werden kann. Dies kann fahrdynamische Vorteile für gekuppelte Schienenfahrzeuge haben (durchgezogene Linie zwischen Pos. A und Pos. B in Fig.4).
  • Eine weitere Möglichkeit zur Erzielung günstiger betrieblicher Eigenschaften ist die Parallelschaltung eines gestrichelt eingezeichneten hydraulischen Dämpfers 40, z.B. innerhalb des Federelements 22 mit dem kleinerem Durchmesser. Hierdurch kann eine höhere Energieaufnahme im Normalbetrieb erzielt werden (gestrichelte Linie zwischen Pos. A und Pos. B in Fig. 4). Im Unterschied zu den bekannten Puffern mit hydraulischen Dämpfern wird durch die Zuschaltung des zweiten Federelementes 21 mit dem größeren Durchmessers der Anstieg des Kraftverlaufs bei schnellen Stoßvorgängen durch die Steifigkeit dieses Federelementes begrenzt. Dies kann sich insbesondere beim Zusammenprall von Puffern unterschiedlicher Bauart (mit und ohne Hydraulikdämpfer) ausgleichend auf den Kraft-Weg-Verlauf auswirken.
  • In Fig. 1 erkennt man, daß das Koppelglied 23 an einem Anschlag 30 oder an dem Gehäuse des Dämpfers 40 anliegt. Ferner liegt das Bewegungsglied 13 an zwei oder mehrerem, am Außenumfang des Koppelgliedes 23 radial vorspringenden Zapfen 23a an. Der Anschlag 30 und die Zapfen 23a besitzen die Funktion einer Auslösehilfe für das Koppelglied 23 dar. Durch geeignet gewählte Anlagstellen, die z.B. paarweise diagonal gegenüberliegen, kann genau bei Erreichen einer bestimmten Verschiebeposition des Bewegungsgliedes 13 eine plötzliche Spannungskonzentration innerhalb des Koppelgliedes 23 erzeugt werden, die zu unmittelbarem Auslösen (Versagen und Abscherung) des Koppelgliedes 23 führt. Diese Auslösung findet dadurch weggesteuert statt. Eine sinnvolle Wahl der Bautoleranzen stellt sicher, daß dies kurz vor dem Aufschlagen des Bewegungsgliedes 13 auf die Führungshülse 12 stattfindet. Dies ist in Fig. 4 erkennbar an einem kurzen Einbruch des Kraftniveaus. Eine solche Auslegung ist deshalb günstig, weil dadurch die additive Überlagerung der Kraftübertragung über das Koppelglied 23 (typisch für Normalbetrieb) und der Kraftübertragung über die im formschlüssigen Eingriff befindlichen Gehäuseteile (typisch für den Deformationsbereich) vermieden wird, wodurch eine unerwünscht hohe Kraftspitze verursacht werden könnte. Diese Absicherungsfunktion des Koppelglieds 23 erleichtert die konstruktive Auslegung des hydraulischen Dämpfers 30. Er kann vorrangig auf niedrige und mittlere Beanspruchungsgeschwindigkeiten hin optimiert werden und dadurch einfacher ausgebildet werden.
  • Auf eine oder beide der geometrischen Auslösehilfen kann verzichtet werden. In diesem Falle versagt das Koppelglied 23 kraftgesteuert durch Erreichen seiner Belastungsgrenze. Diese Versagensart kann, unabhängig vom Vorhandensein von Auslösehilfen, z.B. des hydraulischen Dämpfers 30, auch vor Erreichen des vollen Einfederweges der Federelemente 21, 22 erfolgen. Auch wenn dieser Vorgang einen vorübergehenden Einbruch in der Kraft-Weg-Kennlinie nach sich zieht, ist dies durchaus erwünscht, um das Entstehen unzulässig hoher Kraftspitzen zu verhindern.
  • Fig. 3 zeigt den Hülsenpuffer 1 in seiner Endposition am Ende des Deformationsbereichs (Pos. C in Fig. 4). Große Teile der Führungshülse 12 sind deformiert worden und stehen als einzelne Segmente 12a ab. Man erkennt das abgescherte Koppelglied 23 und die teleskopartig ineinandergeschobenen Federelemente 21, 22. Der Hülsenpuffer 1 hat seine maximal mögliche Verkürzung erreicht. Weitere Deformation wird nur unter extremem Kraftaufwand unter Totalzerstörung und steil ansteigendem Kraftverlauf möglich sein (Fig. 4, Pos. D).
  • Eine Hinauszögerung des steilen Kraftanstiegs läßt sich dadurch erzielen, daß das Bewegungsglied stauchbar gemacht wird, beispielsweise durch lokale Querschnittsschwächung. Dadurch erfolgt in der letzten Phase des Deformationsbereichs zusätzlich noch eine Deformation des - bis dahin noch nicht deformierten - Bewegungsgliedes 13, wodurch eine weitere Verschiebungsreserve auf erhöhtem Kraftniveau ermöglicht wird (Fig 4., strichpunktierte Linie C-D').
  • Fig. 5 zeigt eine Variante des in Fig. 1 gezeigten Hülsenpuffers 1, bei dem die Anordnung der beiden Federelemente 21, 22 vertauscht ist und auf die Auslösehilfe durch Zapfen 23a am Koppelglied 23 verzichtet wird. Der Anschlag 30 als Auslösehilfe ist hier am Bewegungsglied 13 angebracht. Die Funktion dieser Variante ändert sich durch die vertauschte Anordnung der Federelemente 21, 22 nicht.
  • In Fig. 6 ist ein Hülsenpuffer 1 abgebildet, bei dem das Bewegungsglied 13 die Führungshülse 12 außen umgreift. Der Übergang zwischen Führungshülse 12 und Bodenplatte 11 kann abgerundet sein, um ein Versagensverhalten des Bewegungsgliedes 13 zu begünstigen. Bei Überschreiten der maximalen Verschiebung des Normalbetriebsbereichs (Fig. 4) liegt das Bewegungsglied 13 an dieser Verrundung an und beginnt zu deformieren. Die aufreißenden und abstehenden Segmente bilden sich in der Nähe der Bodenplatte 11. Diese Anordnung kann für besondere Einbauverhältnisse geometrische Vorteile haben. Die Führungshülse 12 kann ein zusätzliches Stauchungsvermögen haben.
  • Fig. 7 zeigt einen Hülsenpuffer 1, bei dem gegenüber der in Fig. 6 gezeigten Ausführungsform die beiden Federelemente 21, 22 vertauscht sind. Die Funktion wird dadurch nicht verändert.
  • Alternativ kann für das Bewegungsglied 13 anstelle eines metallischen Werkstoffs ein faserverstärkter Kunststoff oder aus verschiedenen Werkstoffen gebildeter Verbund eingesetzt werden, wodurch in ihrer Geometrie unregelmäßige, im Kraftverlauf aber gleichmäßigere Versagensformen auftreten.
  • Gegenüber bekannten Hülsenpuffern ergibt sich bei dem erfindungsgemäßen Hülsenpuffer praktisch eine Verdreifachung des Verschiebungsweges von 100 auf 300 mm, ohne daß die Tragstruktur 2 (Fahrzeugrahmen) des Schienenfahrzeugs beschädigt wird. Zusätzlich zur elastischen, reversiblen Energieaufnahme eines bekannten Hülsenpuffers, die je nach Feder-Dämpferelement im Bereich zwischen 30 und 70 kJ liegt, kann eine Bewegungsenergie von etwa 200 kJ durch Deformation absorbiert werden. Der deformierte Hülsenpuffer braucht im Falle einer Deformation lediglich durch einen neuen Hülsenpuffer ausgetauscht zu werden. Da die erfindungsgemäßen Hülsenpuffer dieselben Abmessungen und Befestigungen wie bekannte, im Einsatz befindliche Hülsenpuffer aufweisen, lassen sich vorhandene Schienenfahrzeuge ohne weiteres mit den erfindungsgemäßen Hülsenpuffern nachrüsten.

Claims (9)

  1. Hülsenpuffer (1) für bewegliche Tragstrukturen (2), insbesondere von Schienenfahrzeugen, mit einem Puffergehäuse (10) bestehend aus einem ortsfest an der Tragstruktur (2) befestigbaren Bodenplatte (11), einer an der Bodenplatte (11) angebrachten Führungshülse (12) und einem relativ zur Führungshülse (12) verschiebbaren Bewegungsglied (13), welches bei seiner Verschiebebewegung von der Führungshülse (12) geführt wird, und mit einem ein Federmittel (21, 22) aufweisenden Kraftübertragungsglied (20) zum Koppeln des Bewegungsgliedes (13) mit der Tragstruktur (2), wobei das Federmittel (21, 22) über ein Koppelglied (23) mit dem Bewegungsglied (13) gekoppelt ist und wobei das Puffergehäuse (10) für eine kontrollierte Deformation der Führungshülse (12) oder des Bewegungsgliedes (13) ohne Deformation oder Lageveränderung der Bodenplatte (11) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Federmittel (21, 22) Verschiebungen des Bewegungsgliedes (13) oder die zu übertragenden Kräfte unterhalb eines Grenzwertes nachgiebig aufnimmt, dass das Koppelglied (23) eine Sollbruchstelle (24) aufweist, an welcher das Koppelglied (23) bei Überschreiten einer maximalen Belastung oder bei Erreichen eines maximalen Verschiebungsweges des Bewegungsgliedes (13) innerhalb des Puffergehäuses (10) abreißt, wodurch die nachgiebige Kopplung des Bewegungsgliedes (13) mit der Tragstruktur (2) ausgeschaltet wird und die Führungshülse (12) oder das Bewegungsglied (12) kontrolliert deformiert werden, und dass das Kraftübertragungsglied (20) zwei in Serie geschaltete Federelemente (21, 22) aufweist, welche über das Koppelglied (23) miteinander verbunden sind, wobei bei der Zerstörung des Koppelgliedes (23) oberhalb des Grenzwertes für die Verschiebung des Bewegungsgliedes (13) oder für die zu übertragende Kraft die Federelemente (21, 22) entkoppelt werden und teleskopartig ineinander gleiten.
  2. Hülsenpuffer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der kontrollierten Deformation die Wandung der Führungshülse (12) und/oder des Bewegungsgliedes (13) an einem axialen Ende über die Bruchgrenze hinaus aufgeweitet wird und in Segmente (12a) aufreißt.
  3. Hülsenpuffer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der kontrollierten Deformation die Wandung der Führungshülse (12) und/oder des Bewegungsgliedes (13) axial gestaucht wird.
  4. Hülsenpuffer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Koppelglied (23) eine Scheibe mit der Sollbruchstelle (24) vorgesehen ist.
  5. Hülsenpuffer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheibe ein ebenes oder topfförmiges Profil aufweist.
  6. Hülsenpuffer nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anschlag (30) für das Koppelglied (23) vorhanden ist, derart, dass beim Auftreffen des Koppelgliedes (23) auf den Anschlag (30) ersteres ausgeschaltet wird.
  7. Hülsenpuffer nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass Kontaktstellen des Koppelgliedes (23) für den Aufprall mit dem Bewegungsglied (13) und/oder dem Endanschlag (30) so ausgebildet sind, dass lokale Spannungskonzentrationen beim Aufprall erzeugt werden.
  8. Hülsenpuffer nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zu einem Federelement (22, 23) des Kraftübertragungsgliedes (20) ein hydraulischer Dämpfer (40) angeordnet ist.
  9. Hülsenpuffer nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das an der Deformation nicht beteiligte Teil der beiden Teile Führungshülse (12) und Bewegungsglied (13) so ausgestaltet ist, dass es beim Auftreffen auf ein Hindernis am Ende des Verschiebeweges in sich stauchbar ist.
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