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Die Erfindung betrifft eine Kupplungsanordnung zum mechanischen Verbinden und Herstellen einer Fluidverbindung zweier schienengebundener Fahrzeuge, umfassend eine mechanische Zugkupplung und eine Luftkupplung. Die mechanische Zugkupplung ist vorzugsweise als Mittelpufferkupplung, d.h. mit integriertem Energieverzehr, insbesondere Zug- und Stoßeinrichtung ausgebildet. Die Erfindung betrifft ferner eine Luftkupplung zum Herstellen einer Fluidverbindung zwischen schienengebundenen Fahrzeugen.
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Mechanische Zugkupplungen sind beispielsweise aus
GB 419 590 A und
US 2013/0146558 A1 bekannt. Ausführungen mit Kegel-Trichter-Profil und um eine Hauptachse verdrehbaren Kuppelverschluss sind ferner offenbart in Wikipedia: https://de.wikipedia.org/wiki/Scharfenbergkupplung.
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Luftkupplungen finden in Kombination mit mechanischen Zugkupplungen zum Herstellen einer mechanischen Verbindung zwischen schienengebundenen Fahrzeugen in Kupplungsanordnungen Anwendung, um zusätzlich auch eine Fluidverbindung zwischen den Fahrzeugen herstellen zu können. Eine Luftkupplung ist dabei einem schienengebundenen Fahrzeug zugeordnet und dient beim Zusammenwirken mit einer Gegen-Luftkupplung insbesondere dem Verbinden Fluid- bzw. Druckmittel führender Leitungen. Die Luftkupplung umfasst dazu ein Mundstück zum Ankoppeln der Luftkupplung an eine Gegen-Luftkupplung, einen Druckluftstutzen zum Anschluss der Luftkupplung an ein Schienenfahrzeugdruckluftsystem und einen Mundstück und Druckluftstutzen verbindenden Strömungskanal. Dem Strömungskanal ist eine Ventilanordnung mit einem Ventilantrieb zum Verbringen der Ventilanordnung in eine den Strömungskanal zumindest teilweise freigebende Öffnungsposition und eine den Strömungskanal druckdicht verschließende Schließposition zugeordnet. Zum funktionssicheren Herstellen und Lösen der Verbindung zwischen zwei schienengebundenen Fahrzeugen werden die mechanische Verbindung und die Fluidverbindung hinsichtlich der Herstellung und Aufhebung aufeinander abgestimmt. Bei Vorsehen einer Luftkupplung zur Kopplung der Hauptluftversorgungsleitungen zweier schienengebundener Fahrzeuge kann die Herstellung der Verbindung mit der Herstellung der mechanischen Verbindung gekoppelt werden. Die Stellung der Ventileinrichtung bezogen auf die einzelnen Stellungen der mechanischen Zugkupplung ist dabei maßgeblich für die Realisierung der Bremsfunktion. Im Einzelnen ist dazu der Kuppelverschluss wenigstens mittelbar mit der Betätigung der Luftkupplung, insbesondere der einer Hauptluftleitung für die Versorgung eines Bremssystems zugeordneten und insbesondere eine Ventilanordnung umfassenden Stelleinrichtung in Wirkverbindung verbingbar. Bei Ausführungen mit direkter mechanischer Kopplung weist der Ventilantrieb dazu eine Schnittstelle zum zumindest mittelbaren mitnahmefesten Verbinden mit einem Kuppelverschluss einer mechanischen Zugkupplung auf.
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Die Funktionsstellung der mechanischen Kupplung - entkuppelt, insbesondere entkuppelt überzogene Stellung oder kuppelbereit und gekuppelt - wird durch die Stellung des Kuppelverschlusses charakterisiert. Bei Kopplung mit dem Ventilantrieb ist in der kuppelbereiten Stellung des Kuppelverschlusses der Strömungskanal der Luftkupplung verschlossen, in der gekuppelten Stellung geöffnet. Bei direkter Kopplung des Aktuators bzw. Ventilantriebes der Ventilanordnung mit einem Bauteil des Kuppelverschlusses, insbesondere dem Hauptbolzen des Kuppelverschlusses und bei mitnahmefester Anbindung des Herzstückes an diesen dreht der Hauptbolzen beim Kuppeln in die gekuppelte Stellung und öffnet die Ventilanordnung. Beim Entkuppeln dreht dieser wieder in die andere Richtung, schließt über den mit diesem gekoppelten Aktuator die Ventilanordnung und verhindert somit einen Druckabfall.
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Die Zugkupplungen werden mit einer hohen Sicherheit für vordefinierte Zugund Stoßbelastungen ausgelegt. Werden diese jedoch überschritten, kann das zu einem Versagen von im Kraftfluss liegenden Bauteilen und dadurch bedingt einem Kupplungsabriss führen. Bei einem derartigen Versagen kann es zu irreparablen Schäden durch plastische Verformungen auch angrenzender Bauteilkomponenten der Kuppelverschlussmittel kommen. Um diese zu vermeiden, sind vordefinierte Sollbruchstellen in der Kupplungsanordnung denkbar.
DE 10 2021 107 936 A1 schlägt vor, den Kuppelösenbolzen mit mindestens einer Sollbruchstelle auszustatten. Hierdurch kann der Kuppelösenbolzen ab einer kritischen Scherbelastung entsprechend einer zugeordneten Ansprechkraft kontrolliert versagen, wodurch allerdings die Kuppelverbindung gelöst wird, da das Kräftegleichgewicht über die Kuppelösen aufgehoben wird. Es besteht dann die Gefahr, dass der Kuppelverschluss der geschädigten Kupplung aufgrund der Rückwirkung der noch intakten Kuppelösenverbindung der Gegen-Zugkupplung mit hoher Beschleunigung in die entkuppelte bzw. kuppelbereite Stellung verdreht werden kann. Bei Kopplung zwischen Kuppelverschluss und Betätigung der Ventileinrichtung der Luftkupplung bzw. des Hauptluftleitungsventiles führt dies, anders jedoch als bei einem gewollten Entkuppeln im Stillstand oder geringen Geschwindigkeiten dazu, dass die Ventileinrichtung geschlossen werden könnte und der so aufgetrennte Wagen in Bewegung sich ungebremst weiterbewegen kann, was bei Auftreten eines auslösenden Ereignisses bei höheren Geschwindigkeiten kritisch ist.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, für Ausführungen von Luftkupplungen, deren Betätigung an die Stellung des Kuppelverschlusses gekoppelt ist, sicherzustellen, dass auch bei einem ungewollten Kupplungsabriss die miteinander vorher verbundenen Wagen sich nicht unkontrolliert auseinanderbewegen können. Des Weiteren soll dies auch bei der Kopplung von Kupplungssystemen unterschiedlicher Hersteller mit nicht einheitlich ausgeführtem definiertem Versagensort, d.h. einer Sollbruchstelle im Kuppelverschluss, welche nicht einheitlich ausgeführt ist, sichergestellt werden.
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Die erfindungsgemäße Lösung ist durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche charakterisiert. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen wiedergegeben.
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Eine Kupplungsanordnung zum Herstellen einer mechanischen und einer Fluidverbindung zwischen schienengebundenen Fahrzeugen, umfasst:
- eine mechanische Zugkupplung zum mechanischen Verbinden mit einer Gegen-Zugkupplung einer Gegen-Kupplungsanordnung, umfassend einen um eine Hauptachse verdrehbaren Kuppelverschluss;
- eine Luftkupplung zum Koppeln mit einer Gegen-Luftkupplung der Gegen-Kupplungsanordnung, umfassend einen mit einem Schienenfahrzeugdruckluftssystem verbindbaren oder verbundenen Strömungskanal und eine dem Strömungskanal zugeordnete mittels einem Ventilantrieb betätigbare Ventilanordnung zum Freigeben oder druckdichten Absperren des Strömungskanals, wobei der Ventilantrieb zumindest mittelbar mit dem Kuppelverschluss der mechanischen Zugkupplung gekoppelt ist. Die Kupplungsanordnung ist dadurch charakterisiert, dass eine Überlastsicherungseinrichtung zum Entkoppeln des Ventilantriebes vom Kuppelverschluss bei Auftreten eines Überlastereignisses vorgesehen ist.
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Unter einer Zugkupplung wird insbesondere eine Kupplung verstanden, mittels welcher automatisch beim Zusammenwirken mit einer Gegen-Zugkupplung eine mechanische Verbindung zwischen diesen herstellbar ist. Insbesondere ist darunter eine Mittelpufferkupplung zu verstehen, welche für schienengebundene Fahrzeuge in Form von Personen- als auch Güterfahrzeugen einsetzbar ist. Diese ist an der Stirnseite durch ein Kupplungsprofil, insbesondere Trichter-/Kegel-Profil charakterisiert.
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Unter einem Überlastereignis wird dabei das Auftreten von Kräften, welche zu einem Kupplungsabriss durch Versagen von im Kraftfluss liegenden Bauteilen und damit zur nicht geplanten Aufhebung der Verbindung zwischen den Zugkupplungen benachbarter Fahrzeuge führen, verstanden. Der Kupplungsabriss kann dabei ungewollt oder aber gezielt herbeigeführt erfolgen, letzteres insbesondere durch Vorsehen einer definierten Sollbruchstelle beispielsweise im Kuppelösenbolzen des Kuppelverschlusses der Zugkupplung.
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Die mittelbare Kopplung zwischen Ventilantrieb und Kuppelverschluss spiegelt dabei die unterschiedlichsten Möglichkeiten zur Realisierung einer Abhängigkeit der Stellung des Ventilantriebes von der Stellung des Kuppelverschlusses wider. Eine wenigstens mittelbare Kopplung oder Verbindung zwischen Bauteilen bzw. Komponenten beinhaltet insbesondere die direkte Kopplung bzw. Verbindung frei von der Zwischenanordnung weiterer Funktions- oder Übertragungselemente, aber auch die nicht direkte Kopplung bzw. Verbindung, d.h. unter Zwischenordnung weiterer Übertragungselemente.
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Die erfindungsgemäße Lösung bietet den Vorteil, einer im Ereignisfall schnellen Entkopplung von Ventilantrieb der Luftkupplung und Kuppelverschluss, insbesondere Unterbrechung des Kraftflusses zwischen Kuppelverschluss und Ventilantrieb bei mechanischer Kopplung. Der Ventilantrieb bleibt dann in einer Stellung, die der in der gekuppelten Stellung des Kuppelverschlusses entspricht, so dass das Fluid aus diesem entweichen kann und eine Notbremsung durch den dadurch bedingten Druckabfall in der Hauptluftleitung erfolgt.
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Die Kopplung zwischen Ventilantrieb und Kuppelverschluss erfolgt vorzugsweise mechanisch. Die Kopplung kann dabei direkt zwischen Ventilantrieb und Kuppelverschluss erfolgen oder indirekt über Übertragungselemente, welche die Verdrehung des Kuppelverschlusses auf den Ventilantrieb übertragen und gegebenenfalls übersetzen. Die Übertragung kann als reine Drehbewegung, vorzugsweise direkt erfolgen oder die Drehbewegung des Kuppelverschlusses kann in andere Bewegungsformen übertragen bzw. übersetzt werden. Dies kann über eine einfache Kinematik oder eine Übersetzung erzeugende Komponenten erzielt werden.
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Die Zuordnung der Überlastsicherung zur Verbindung kann
- a) unmittelbar am Kuppelverschluss oder
- b) innerhalb der Verbindung zwischen Kuppelverschluss und Ventilantrieb erfolgen.
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Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausbildung ist der Ventilantrieb mit dem Kuppelverschluss oder einem mit diesem verbundenen Bauteil mitnahmefest verbunden und die Überlastsicherungseinrichtung wird von der Verbindung, insbesondere den diese ausbildenden Verbindungseinrichtungen zwischen Kuppelverschluss oder dem mit diesem verbundenen Bauteil und dem Ventilantrieb gebildet. Besonders vorteilhaft kann die Verbindung zwischen Kuppelverschluss und Ventilantrieb als formschlüssige und/oder kraftschlüssige Verbindung ausgebildet sein, die derart ausgelegt und angeordnet ist, bei Auftreten einer das Überlastereignis definierenden Kraft zu versagen. Diese Lösung ist durch eine hohe Funktionskonzentration charakterisiert und bedingt lediglich eine entsprechende Auslegung der Verbindung für den genannten Überlastfall ohne zusätzliche Bauteile vorsehen zu müssen.
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Diese Lösung detektiert ferner eine auftretende und zum Kuppelabriss führende Schädigung mechanisch, indem die dabei am Herzstück und den mit diesem verbundenen Hauptbolzen eingebrachten Kräfte an die Verbindung zwischen Kuppelverschluss und Ventilantrieb weitergeleitet werden, wobei der mit dem Kuppelverschluss wirkverbundene Aktuator der zugehörigen Ventileinrichtung in Form des Ventilantriebes einfach und schnell aus dem Kraftfluss vom Kuppelverschluss genommen wird und in seiner Stellung verbleibt, damit die geöffnete Ventilstellung im Versagensfall der kraftführenden Verschlussbauteile sichergestellt bleibt. Ausgenutzt wird dazu der sich durch die Rückwirkung der abgerissenen Gegen-Zugkupplung auf den Kuppelverschluss erfolgende dynamische Schlag, der in die Verbindung zwischen Kuppelverschluss und Ventilantrieb eingetragen wird und die Überlastsicherung auslöst.
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Der Ventilantrieb der Luftkupplung umfasst dazu eine Schnittstelle zum zumindest mittelbaren und mitnahmefesten Verbinden mit einem Kuppelverschluss der Zugkupplung. Der Kuppelverschluss umfasst eine mit einem die Hauptachse definierenden Hauptbolzen verbundene und zwischen verschiedenen Funktionsstellungen um diese verdrehbare Hakenplatte und eine, ein erstes verdrehbar an der Hakenplatte angeschlossenes Ende und ein zweites freies Ende aufweisende Kuppelöse. Die Hakenplatte weist ein Maul auf, das zur Aufnahme eines zweiten Endes einer Kuppelöse einer Gegen-Zugkupplung ausgebildet ist. Der Hauptbolzen oder ein mitnahmefest mit diesem verbundenes Bauteil des Kuppelverschlusses weist eine Schnittstelle zum Verbinden mit dem Ventilantrieb der Luftkupplung auf. Die Überlastsicherungseinrichtung ist dann zwischen dem Hauptbolzen und dem Anschluss des Ventilantriebes vorgesehen.
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Vorteilhaft umfasst die Ventilanordnung einen Ventilsitz und einen Ventilkörper, der bewegbar zwischen einer Öffnungsposition, in der er den Strömungskanal zumindest weitgehend oder vollständig freigibt und einer Schließposition, in welcher er den Strömungskanal druckdicht absperrt, wobei der Ventilantrieb am Ventilkörper zumindest mittelbar angreift und einen die Schnittstelle zum Verbinden mit dem Kuppelverschluss ausbildenden Anschluss umfasst, welcher um eine mit der Hauptachse des Kuppelverschlusses fluchtende/zusammenfallende Verdrehachse verdrehbar ist und welcher mit einem sich insbesondere radial von der Verdrehachse wegerstreckenden Nocken zum Angreifen am Ventilkörper verbunden ist. Die mitnahmefeste Verbindung ist zwischen Anschluss und Hauptbolzen über mechanische Verbindungseinrichtungen ausgebildet und die Überlastsicherungseinrichtung zwischen dem Hauptbolzen und dem Anschluss des Ventilantriebes vorgesehen ist.
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Bezüglich der Ausbildung der die Überlastsicherung beinhaltenden Verbindungseinrichtungen bestehen dabei mehrere Möglichkeiten. Der Anschluss des Ventilantriebes ist mit dem Hauptbolzen über zumindest eine der nachfolgend genannten Verbindungseinrichtungen verbunden, ausgelegt in einem Normalbetriebsmodus die Kraft vom Hauptbolzen auf den Ventilantrieb zu übertragen und bei Auftreten eines Überlastereignisses zu versagen:
- Abscherpin
- Abscherschraube
- integrale und zueinander komplementäre Formschlusselemente an Hauptbolzen und Anschluss des Ventilantriebes,
- eine Verbindungskupplung
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Ausführungen mit Abscherpin stellen dabei eine besonders bevorzugte und einfache Lösung dar. Der Bearbeitungsaufwand an den Schnittstellen kann gering gehalten werden und entspricht dem herkömmlicher Lösungen mit Spannstift.
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Der die Schnittstelle bildende Anschluss des Ventilantriebes wird vorzugsweise von einem um die Verdrehachse einen einseitig offenen Hohlraum umschließenden Bereich zur Aufnahme einer Verlängerung des Hauptbolzens oder eines mit diesem mitnahmefest verbundenen Bauteils gebildet. Der Anschluss umschließt somit den Hauptbolzens des Kuppelverschlusses im aus dem Kupplungskopf heraustretenden Bereich in Umfangsrichtung um die Hauptachse und wird dann vorzugsweise über senkrecht zur Hauptachse des Kuppelverschlusses bzw. der Verdrehachse des Ventilantriebes angeordnete Abscherverbindungselemente mit dem Hauptbolzen bzw. dem mit diesem verbundenen Bauteil verbunden.
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Im Einzelnen liegen der Lösung folgende Überlegungen zugrunde, wobei im Vorfeld noch einmal detailliert auf die Ausführung der Kupplungsanordnung eingegangen wird:
Die mechanische Zugkupplung derartiger Kupplungsanordnungen umfasst einen Kupplungskopf mit einem Kupplungsgehäuse und einem Kuppelverschluss mit Arretierung. Der Kuppelverschluss ist als Drehverschluss mit einer Kuppelöse und einem Herzstück ausgeführt, welches um eine Hauptachse, insbesondere Verdrehachse zwischen unterschiedlichen Kupplungsstellungen, insbesondere kuppelbereiten Stellung, gekuppelten Stellung und einer entkuppelten Stellung verdrehbar ist. Die Kuppelöse ist mit einem ersten Ende verdrehbar um eine Kuppelösenachse am Herzstück angeschlossen und weist ein zweites freies Ende auf, welches im Kegel geführt ist. Das Herzstück weist ein Maul zur Aufnahme eines entsprechenden zweiten Endes einer Kuppelöse eines Kuppelverschlusses einer kompatiblen Gegen-Zugkupplung auf. Dem Herzstück ist zumindest mittelbar ein Federspeicher zugeordnet. Das Herzstück ist entgegen der Kraft des Federspeichers aus der gekuppelten Stellung in die entkuppelte Stellung und durch die Kraft des Federspeichers aus der entkuppelten Stellung in die kuppelbereite Stellung und aus der kuppelbereiten Stellung in die gekuppelte Stellung verdrehbar. Der Federspeicher kann je nach Ausführung am Herzstück selbst oder aber der Kuppelöse im ersten Endbereich angeschlossen sein. Die Arretierung, welche den Kuppelverschluss in der kuppelbereiten Stellung hält oder entsprechend zum Übergang in eine andere Stellung durch Verdrehen des Herzstückes freigibt, weist einen in Kuppelrichtung der Zugkupplung verschiebbaren Stempel und eine quer oder schräg zur Kuppelrichtung verschiebbare Klinkenstange auf. Die Klinkenstange ist gelenkig am Herzstück angeschlossen und vom Herzstück bei dessen Verdrehung aus der gekuppelten Stellung in die entkuppelte Stellung in eine Rastposition verschiebbar, in welcher die Klinkenstange eine Verdrehung des Herzstückes zurück, das heißt in Richtung aus der entkuppelten Stellung in die gekuppelte Stellung blockiert. Der Stempel wiederum ist bewegbar zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position. In der ersten Position, blockiert der Stempel die Klinkenstange in der Rastposition und in der zweiten Position, löst der Stempel die Klinkenstange aus der Rastposition. Die Funktion der automatischen Zugkupplung ist wie folgt: Zwei gegengleiche, insbesondere im Sinne der Funktionen Kuppeln und Entkuppeln zueinander kompatible Kupplungsköpfe an zwei miteinander zu kuppelnden Fahrzeugen werden dadurch aneinander arretiert, dass jeweils das zweite Ende der jeweiligen Kuppelöse in das Maul des Herzstückes des jeweils anderen Kupplungskopfes eingreift und durch Verdrehen des dortigen Herzstückes formschlüssig gehalten wird. Damit werden die beiden Fahrzeuge mechanisch miteinander gekuppelt. Die beiden Kuppelverschlüsse werden ausschließlich durch Zugkräfte belastet, die sich innerhalb des Parallelogramms, das die Kuppelösen und die Herzstücke bilden, auf beide Kuppelösen gleichmäßig verteilen. Druckkräfte hingegen werden durch ein besonderes Profil frontseitig am Kupplungskopfgehäuse übertragen, wobei das Profil in der Regel, wie vorteilhaft auch bei der vorliegenden Erfindung, einen Kegel und einen Trichter umfasst, die von einer breiten, insbesondere ebenen Stirnfläche umschlossen sind. Das Profil kann von bzw. an einer separaten Stirnplatte gebildet werden, die vorne am Kupplungskopfgehäuse befestigt ist. Das Profil kann mit dem Kegel und Trichter Gleit- und Zentrierflächen bilden und insbesondere den Greifbereich in Seiten-, Höhen- und Winkelversatz bestimmen. Wenn die Kupplungsköpfe aufeinandertreffen, zentrieren sie sich und gleiten ineinander.
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Wenn zwei Schienenfahrzeuge aufeinander zu bewegt werden, so befinden sich deren Kuppelverschlüsse beziehungsweise deren Herzstücke in einer sogenannten kuppelbereiten Stellung, in welcher die Herzstücke von den Klinkenstangen, die sich in einer Rastposition befinden, gehalten werden. Beim Kuppeln tauchen jeweils die Kegel in die Trichter der Kupplungskopfgehäuseprofile ein. Dabei drücken die Kegel der Zugkupplungen auf die Stempel der Gegen-Zugkupplungen und schieben diese zurück, sodass die Stempel die Klinkenstangen aus deren Rastposition lösen. Dadurch werden die Kuppelverschlüsse freigegeben und durch die Kraft des jeweiligen Federspeichers gedreht, bis das Herzstück an einem vorgegebenen Anschlag, in der Regel am Kupplungskopfgehäuse, anschlägt. Dabei rasten die in den Trichtern der Zugkupplungen geführten Kuppelösen in die Herzstückmäuler der jeweiligen Gegen-Zugkupplungen ein. Die beiden Kuppelverschlüsse sind ineinander verhakt und die gekuppelte Stellung ist erreicht. Ein ungewolltes Trennen der Kuppelverschlüsse von Zugkupplung und Gegen-Zugkupplung ist nicht möglich. Normaler Verschleiß beeinträchtigt die Sicherheit des Kuppelverschlusses nicht.
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Um die Kupplungsköpfe von Zugkupplung und Gegen-Zugkupplung zu entkuppeln, dreht eine Entkuppeleinrichtung beide Kuppelverschlüsse, das heißt die beiden Herzstücke gegen die Kraft der Federspeicher, bis die Kuppelösen der Zugkupplungen aus den Mäulern der Herzstücke der Gegen-Zugkupplungen gleiten. Die sich verdrehenden Herzstücke sollen dabei die Klinkenstangen so weit verschieben, dass beim Trennen der Fahrzeuge ein Zurückdrehen der Herzstücke aus der entkuppelten Stellung über die kuppelbereite Stellung hinaus dadurch verhindert wird, dass die Klinkenstangen in ihre Rastpositionen verbracht werden.
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Tritt jedoch bei einem Überlastereigniss ein Kupplungsabriss auf, ist das Kräftegleichgewicht über die Kuppelösen aufgehoben. Es besteht ohne zusätzliche Maßnahmen dann die Gefahr, dass der Kuppelverschluss der geschädigten Kupplung aufgrund der Rückwirkung der noch intakten Kuppelösenverbindung der Gegen-Zugkupplung in die entkuppelte bzw. kuppelbereite Stellung verdreht werden kann. Aufgrund der Kopplung zwischen Kuppelverschluss und Betätigung der Ventileinrichtung der Luftkupplung bzw. des Hauptluftleitungsventiles führt dies, anders jedoch als beim gewollten Entkuppeln im Stillstand oder geringen Geschwindigkeiten dazu, dass der so aufgetrennte Wagen in Bewegung sich ungebremst weiterbewegen kann, was bei Auftreten eines auslösenden Ereignisses bei höheren Geschwindigkeiten äußerst kritisch ist. Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird diese vermieden, indem die bei einem Abriss durch Rückwirkung der Gegen-Zugkupplung auf das Herzstück der Zugkupplung mit Schädigung der im Kraftfluss liegenden Bauteile bei Rotation des Hauptbolzens in die Verbindung zum Ventilantrieb eingetragenen Kräfte genutzt werden, um ein ungewolltes Schließen der Ventilanordnung durch Ansprechen der Überlastsicherung unter Aufhebung der Verbindung zu verhindern.
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Die auch einzeln vertreibbare Luftkupplung für ein schienengebundenes Fahrzeug, umfasst einen, ein Mundstück zum Ankoppeln der Luftkupplung an eine Gegen-Luftkupplung mit einem Druckluftstutzen zum Anschluss der Luftkupplung an ein Schienenfahrzeugdruckluftsystem verbindenden Strömungskanal;
eine, dem Strömungskanal zugeordnete Ventilanordnung mit einem Ventilantrieb zum Verbringen der Ventilanordnung in eine den Strömungskanal zumindest teilweise freigebende Öffnungsposition und eine den Strömungskanal druckdicht verschließende Schließposition, wobei der Ventilantrieb eine Schnittstelle zum zumindest mittelbaren mitnahmefesten Verbinden mit einem Kuppelverschluss einer mechanischen Zugkupplung umfasst. Der Schnittstelle ist eine Überlastsicherungseinrichtung zugeordnet, welche ausgebildet ist, beim Auftreten eines Überlastereignisses die Verbindung zwischen Ventilantrieb und Kuppelverschluss aufzuheben.
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Es gelten die Vorteile wie für die Kupplungsanordnung beschrieben.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren erläutert.
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Die Figur 1a verdeutlicht in schematisiert stark vereinfachter Darstellung eine mit einer Gegen-Kupplungsanordnung 1' zum Herstellen einer mechanischen und Fluidverbindung zweier Schienenfahrzeuge zusammenwirkende erfindungsgemäß ausgebildete Kupplungsanordnung 1. Der Aufbau der Kupplungsanordnungen 1, 1' wird beispielhaft für die Kupplungsanordnung 1 beschrieben. Der Aufbau der Kupplungsanordnung 1' erfolgt in analoger Weise. Die Kupplungsanordnung 1 umfasst eine mechanische Zugkupplung 2 zum Herstellen einer mechanischen Verbindung mit einer zu dieser kompatiblen Gegen-Zugkupplung 2' und ferner zumindest eine weitere Funktionskomponente in Form einer Luftkupplung 3 zum Kuppeln mit einer kompatiblen Gegen-Luftkupplung 3'. Die Luftkupplungen 3, 3' dienen dem Herstellen einer Fluidverbindung, insbesondere Druckluftverbindung zwischen den über die Kupplungsanordnungen 1, 1' miteinander zu koppelnden Schienenfahrzeugen. Die einzelne Luftkupplung 3 dient dabei insbesondere zur Verbindung der an den einzelnen Schienenfahrzeugen vorgesehenen Hauptluftleitungen zur Führung der Druckluft für die Bremssteuerung.
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Die Kupplungsanordnungen 1, 1' sind in einer Ansicht von oben wiedergegeben. Zur Verdeutlichung der einzelnen Richtungen ist beispielhaft ein Koordinatensystem angelegt. Die X-Richtung beschreibt dabei die Erstreckung in Längsrichtung, welche mit der Längsrichtung beim Einbau in Schienenfahrzeugen zusammenfällt. Die Y-Richtung beschreibt die Breitenrichtung, das heißt die Richtung quer zur Längsrichtung in der Horizontalebene und die Z- Richtung beschreibt die Höhenrichtung.
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Die Kupplungsanordnungen 1, 1' sind hier in der gekuppelten Stellung und damit der gekuppelten Stellung II des Kuppelverschlusses wiedergegeben. Figur 1b zeigt beispielhaft den Grundaufbau einer mechanischen Zugkupplung 2 gemäß Figur 1a in einem Ausschnitt aus dieser in einer Darstellung nach erfolgtem Kupplungsabriss, ausgelöst durch einen Bruch des Kuppelösenbolzens. Die Figur 1b dient dabei auch zur Erläuterung des Aufbaus und der Funktion der Zugkupplung 2.
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Die mechanische Zugkupplung 2 zum mechanischen Verbinden zweier Schienenfahrzeuge umfasst im Allgemeinen einen Kupplungskopf 4, eine Kupplungsstange 5 und eine Schnittstelle 6 zur Anbindung an das Schienenfahrzeug 35. Die Kupplungsstange 5 kann als separates Bauteil lösbar mit dem Kupplungskopf 4 verbindbar ausgeführt oder aber integral mit dem Kupplungskopf 4 ausgebildet sein. Die Kopplung der Kupplungsanordnung 1 mit dem Schienenfahrzeug 35 erfolgt über eine mit der Kupplungsstange 5 mittels eines Gelenkes 8 verbundene und mit einer Schnittstelle am Fahrzeug, insbesondere Zug- und Druckanschlägen zusammenwirkenden eine Anschlussstruktur bildenden Zug-/Stoßeinrichtung 7.
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Zur Realisierung der mechanischen Verbindung mit der mechanischen Kupplung 2' einer Gegend-Kupplungsanordnung 1' umfasst die jeweilige mechanische Kupplung, insbesondere Kupplung 2 einen entsprechenden Kuppelverschluss 9 mit einer Arretierung 29. Die mechanischen Kupplungen 2, 2' müssen zum Zwecke des Kuppelns miteinander zueinander kompatibel ausgebildet sein. Der Kuppelverschluss 9 ist als Drehverschluss ausgebildet. Dieser umfasst ein, um eine in Einbaulage am Schienenfahrzeug 35 betrachtet vertikal ausgerichtete und als Hauptachse HA bezeichnete Verdrehachse verdrehbares sogenanntes Herzstück 25, welches von einer Hakenplatte gebildet wird. Hierzu ist das Herzstück 25 beispielsweise an einem Hauptbolzen 30 gelagert und mitnahmefest mit diesem verbunden. In einem ersten Endbereich 26a des Herzstückes 25 ist eine Kuppelöse 27 um eine Kuppelösenachse KA verdrehbar angeschlossen. In einem zweiten Endbereich 26b weist das Herzstück 25 eine ein sogenanntes Maul 28 bildende Aussparung auf, welche derart ausgebildet und angeordnet ist, bei Zusammenwirken mit der Kuppelöse 27 einer kompatiblen Gegen-Zugkupplung 2' in der gekuppelten Stellung II einen Widerhaken zum Übertragen von Zugkräften zu bilden.
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Das Herzstück 25 ist um die Hauptachse HA zwischen verschiedenen Funktionsstellungen, einer entkuppelten, insbesondere hier im Einzelnen nicht dargestellten kuppelbereiten oder überzogenen Stellung und einer gekuppelten Stellung II und umgekehrt verdrehbar. Dargestellt ist in Figur 1a lediglich die gekuppelte Stellung II.
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Dem Herzstück 25 ist zumindest mittelbar ein Federspeicher 31 zugeordnet. Das Herzstück 25 ist entgegen der Kraft des Federspeichers 31 verdrehbar. Der Federspeicher 31 kann je nach Ausführung am Herzstück 25 selbst oder aber der Kuppelöse 27 im ersten Endbereich angeschlossen sein.
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Die Arretierung 29, welche den Kuppelverschluss 9 in der kuppelbereiten Stellung hält oder entsprechend zum Übergang in eine andere Stellung durch Verdrehen des Herzstückes 25 freigibt, weist einen in Kuppelrichtung der Zugkupplung 2 verschiebbaren Stempel 32 und eine quer oder schräg zur Kuppelrichtung verschiebbare Klinkenstange 33 auf. Die Klinkenstange 33 ist gelenkig am Herzstück 25 angeschlossen und vom Herzstück 25 bei dessen Verdrehung aus der gekuppelten Stellung II in die entkuppelte Stellung in eine Rastposition verschiebbar, in welcher die Klinkenstange 33 eine Verdrehung des Herzstückes 25 zurück, das heißt in Richtung aus der entkuppelten Stellung in die gekuppelte Stellung II blockiert. Der Stempel 32 wiederum ist bewegbar zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position. In der ersten Position, blockiert der Stempel die Klinkenstange 33 in der Rastposition und in der zweiten Position, löst der Stempel die Klinkenstange 33 aus der Rastposition. Die Funktion der automatischen Zugkupplung 2 ist wie folgt: Zwei gegengleiche, insbesondere im Sinne der Funktionen Kuppeln und Entkuppeln zueinander kompatible Kupplungsköpfe 4, 4' von Kupplungsanordnungen 1, 1' an zwei miteinander zu kuppelnden Fahrzeugen 35, 35' werden dadurch aneinander arretiert, dass jeweils das zweite Ende der jeweiligen Kuppelöse in das Maul des Herzstückes des jeweils anderen Kupplungskopfes 4', 4 eingreift und durch Verdrehen des dortigen Herzstückes formschlüssig gehalten wird. Damit werden die beiden Fahrzeuge 35, 35' mechanisch miteinander gekuppelt. Die beiden Kuppelverschlüsse werden ausschließlich durch Zugkräfte belastet, die sich innerhalb des Parallelogramms, das die Kuppelösen und die Herzstücke bilden, auf beide Kuppelösen gleichmäßig verteilen. Druckkräfte hingegen werden durch ein besonderes Profil frontseitig am Kupplungskopfgehäuse übertragen, wobei das Profil in der Regel, wie vorteilhaft auch bei der vorliegenden Erfindung, einen Kegel und einen Trichter umfasst, die von einer breiten, insbesondere ebenen oder mit randoffenen Aussparungen in der Oberfläche versehenen Stirnfläche umschlossen sind. Das Profil kann von bzw. an einer separaten Stirnplatte gebildet werden, die vorne am Kupplungskopfgehäuse befestigt ist. Das Profil kann mit dem Kegel und Trichter Gleit- und Zentrierflächen bilden und insbesondere den Greifbereich für Seiten-, Höhen- und Winkelversatz bestimmen.
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Wenn die Kupplungsköpfe 4, 4' aufeinandertreffen, zentrieren sie sich und gleiten ineinander.
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Wenn zwei Schienenfahrzeuge 35, 35' aufeinander zu bewegt werden, so befinden sich deren Kuppelverschlüsse 9, 9' beziehungsweise deren Herzstücke in einer sogenannten kuppelbereiten Stellung, in welcher die Herzstücke von den Klinkenstangen, die sich in einer Rastposition befinden, gehalten werden. Beim Kuppeln tauchen jeweils die Kegel in die Trichter der Kupplungskopfgehäuseprofile ein. Dabei drücken die Kegel der Zugkupplungen auf die Stempel der Gegen-Zugkupplungen und schieben diese zurück, sodass die Stempel die Klinkenstangen aus deren Rastposition lösen. Dadurch werden die Kuppelverschlüsse 9, 9' freigegeben und durch die Kraft des jeweiligen Federspeichers gedreht, bis das Herzstück an einem vorgegebenen Anschlag, in der Regel am Kupplungskopfgehäuse, anschlägt. Dabei rasten die in den Trichtern der Zugkupplungen geführten Kuppelösen in die Herzstückmäuler der jeweiligen Gegen-Zugkupplungen 2'. 2 ein. Die beiden Kuppelverschlüsse 9', 9 sind ineinander verhakt und die gekuppelte Stellung II ist erreicht. Ein ungewolltes Trennen der Kuppelverschlüsse von Zugkupplung 2 und Gegen-Zugkupplung 2' ist nicht möglich. Normaler Verschleiß beeinträchtigt die Sicherheit des Kuppelverschlusses nicht.
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Um die Kupplungsköpfe von Zugkupplung 2 und Gegen-Zugkupplung 2' zu entkuppeln, dreht eine hier im Einzelnen nicht dargestellte Entkuppeleinrichtung, welche als automatische Entkuppeleinrichtung, insbesondere elektromechanische, hydraulische oder pneumatische Entkuppeleinrichtung oder manuell betätigbare Handentkuppeleinrichtung ausgebildet sein kann, beide Kuppelverschlüsse 9, 9', das heißt die beiden Herzstücke gegen die Kraft der Federspeicher, bis die Kuppelösen der Zugkupplungen aus den Mäulern der Herzstücke der Gegen-Zugkupplungen gleiten. Die sich verdrehenden Herzstücke sollen dabei die Klinkenstangen so weit verschieben, dass beim Trennen der Fahrzeuge ein Zurückdrehen der Herzstücke aus der entkuppelten Stellung über die kuppelbereite Stellung hinaus dadurch verhindert wird, dass die Klinkenstangen in ihre Rastpositionen verbracht werden. Dies ist die Normal-Betriebsweise einer Zugkupplung 2, 2'.
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Die zum Zweck der Herstellung einer Fluidverbindung vorgesehene Luftkupplung 3 zum Koppeln mit einer Gegen-Luftkupplung 3' einer Gegen-Kupplungsanordnung 1' ist in den Figuren 2a bis 2b wiedergegeben. Der Aufbau wird auch hier am Beispiel der Luftkupplung 3 der Kupplungsanordnung 1 beschrieben. Diese umfasst einen Druckluftstutzen 10 zum Anschluss an ein Schienenfahrzeugdruckluftsystem, ein Mundstück 11 zum Anschluss an die Gegen-Luftkupplung, einen das Mundstück mit dem Druckluftstutzen verbindenden Strömungskanal 12 und eine dem Strömungskanal 12 zugeordnete mittels einem Ventilantrieb 14 betätigbare Ventilanordnung 13 zum Freigeben oder druckdichten Absperren des Strömungskanals 12. Die Luftkupplung 3 ist hier oberhalb, kann aber auch unterhalb in vertikaler Richtung bezogen auf den Kupplungskopf 4 an diesem angeordnet sein. Da die Betätigung der Ventilanordnung 13 an den Kuppelverschluss 9 gekoppelt ist, ist die Stellung der Ventilanordnung 13 von der Stellung des Kuppelverschlusses 9 abhängig. In der kuppelbereiten Stellung des Kuppelverschlusses 9 hält die Ventilanordnung 13 den Strömungskanal 12 verschlossen (Figure 2b), in der gekuppelten Stellung (Figur 2a) ist dieses geöffnet. Der Ventilantrieb 14 ist dazu zumindest mittelbar mit dem Kuppelverschluss 9 gekoppelt, vorzugsweise mitnahmefest mit diesem oder einem mit diesem verbundenen Bauteil verbunden. Die mittelbare Verbindung ist mit 19 bezeichnet. Dabei wird in der kuppelbereiten Stellung und der ungekuppelten Stellung des Kuppelverschlusses 9 die Ventilanordnung 13 in der Schließposition und bei gekuppelter Stellung des Kuppelverschlusses 9 die Ventilanordnung 13 in der Öffnungsposition gehalten. Die Ventilanordnung 13 umfasst einen Ventilkörper 15 und einen Ventilsitz 16, wobei der Ventilkörper 15 zwischen einer Öffnungsposition, in welcher er den Strömungskanal 12 zumindest weitgehend oder vollständig freigibt, und einer Schließposition, in welcher er den Strömungskanal 12 druckdicht absperrt, bewegbar ist. Der Ventilkörper 15 ist dazu vorzugsweise direkt entlang einer radial zur Hauptachse HA ausgerichteten Achse bewegbar. Der Ventilantrieb 14 greift am Ventilkörper 15 zumindest mittelbar an, um diesen aus der Öffnungsposition in die Schließposition oder umgekehrt zu verbringen.
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In den Figuren 2a, 2b dargestellten Ausführungen ist der Ventilantrieb 14 direkt mit dem Hauptbolzen 30 des Kuppelverschlusses 9 oder einem drehfest mit dem Hauptbolzen verbundenen Bauteil verbunden. Die Verbindung Ventilantrieb 14 und Hauptbolzen 30 ist mit 20 bezeichnet. Der Ventilantrieb 14 umfasst dazu eine Schnittstelle 17 zum Koppeln mit dem Kuppelverschluss 9, insbesondere dem Hauptbolzen 30. Der Ventilantrieb 14 weist vorzugsweise eine um eine mit der Hauptachse HA zusammenfallende Verdrehachse verdrehbare Welle 40 auf, die zum drehfesten Anschluss am Kuppelverschluss 9, insbesondere dem mit dem Herzstück verbundenen Hauptbolzen 30 ausgeführt ist oder durch diesen gebildet wird und mit einem Nocken 18 versehen ist, der zumindest mittelbar am Ventilkörper 15 zu dessen Betätigung angreift. Der Nocken 18 ist somit über den Hauptbolzen 30 bzw. die Verbindung zu diesem um die Hauptachse HA verdrehbar. Der Nocken 18 umfasst einen in radialer Richtung weisenden Halteflächenbereich zum Zusammenwirken mit einer Betätigungsfläche am Ventilkörper 15. In der kuppelbereiten Stellung gemäß Figur 2b liegt der Nocken 18 mit seinem in radialer Richtung weisenden Halteflächenbereich an der Betätigungsfläche am Ventilkörper 15 an und stützt diesen in der Schließposition. In der gekuppelten Stellung des Kuppelverschlusses 9 ist der Nocken 18 in der dazu korrespondieren Position frei von einem Kontakt mit dem Ventilkörper. Zwischen den beiden Positionen überstreicht der Nocken 18 einen Verdrehwinkelbereich.
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Der Verbindung 20 zwischen Welle 40 und Hauptbolzen 30 ist eine Überlastsicherung 21 zugeordnet, vorzugsweise ist diese in die Verbindung integriert.
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Tritt bei einem Überlastereigniss ein Kupplungsabriss auf, wie in Figur 1b dargestellt, ist das Kräftegleichgewicht über die Kuppelösen 27 aufgehoben. Dabei wird die gegenüber den Verhältnissen in der Normalbetriebsweise über die Rückwirkung der Gegen-Zugkupplung in die geschädigte Zugkupplung, insbesondere den Kupplungsverschluss größeren, an diesem wirkenden Kräfte genutzt, um die Überlastsicherung ansprechen zu lassen. Diese bewirkt eine automatische Trennung der Verbindung 20 zwischen Ventilantrieb 14 und Hauptbolzen 30 und damit keine Änderung der Stellung des Nockens 18 und des Ventilkörpers 15.
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Die Überlastsicherung 20 kann verschiedenartig ausgebildet sein. Beispiele sind in Figuren 3a, 3c und 3d anhand der Darstellung lediglich der Verbindung zwischen Hauptbolzen 30 und Ventilantrieb 14 und in Figur 3b in einer Darstellung der Luftkupplung gemäß Figur 2b vereinfacht wiedergegeben. Dabei werden besonders bevorzugt Ausbildungen eingesetzt, bei denen die Funktion der Überlastsicherung 21 bereits mit in die ohnehin vorzusehende Verbindung 19, insbesondere Verbindung 20 zwischen Ventilantrieb 14 und Hauptbolzen 30 integriert ist bzw. von den dazu vorgesehenen Verbindungselementen und Einrichtungen in Funktionskonzentration mit übernommen wird.
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Figur 3a zeigt eine Ausbildung mit integrierter Sicherheitskupplung 34 zwischen Ventilantrieb 14 und Hauptbolzen 30. Diese fungiert als Verbindungseinrichtung zur Herstellung der Verbindung 20 und gleichzeitig als Überlastsicherung 21. Diese dient der Verbindung zwischen Hauptbolzen 30 und Ventilantrieb 14 und ist dabei beispielhaft in Umfangsrichtung um die Hauptachse HA zwischen Schnittstelle des Ventilantriebs 14 zum Hauptbolzen 30 und Hauptbolzen 30 angeordnet.
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Die Figuren 3b und 3d zeigen Verbindungen 20 zwischen Hauptbolzen 30 und Ventilantrieb 14, insbesondere dem die Schnittstelle 17 bildenden Anschluss 40, wobei die Verbindungseinrichtungen in Funktionskonzentration die Aufgabe der Überlastsicherung 21 mit übernehmen. In den Figuren 3b und 3d umfassen die Überlastsicherungen 21 jeweils Abschereinrichtungen 22.
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Gemäß Figur 3b in einer Ansicht analog zur Figur 2a wird eine formschlüssige Verbindung von Hauptbolzen 30 und Ventilantrieb 14 über Stiftverbindungen umfassende Abschereinrichtungen 22 realisiert, wobei die einzelnen Verbindungsstifte als Abscherpin 23 ausgebildet sind. Der einzelne Abscherpin 23 erstreckt sich dabei vorzugsweise in radialer Richtung bezogen auf die Hauptachse HA. Gemäß Figur 3d sind Abscherschrauben 38 vorgesehen.
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Die Figur 2c verdeutlicht demgegenüber eine kraftschlüssige Verbindung und Ausbildung dieser als Überlastsicherung 21. Die Verbindung 20 wird hier über einen Pressverband zwischen miteinander in Wirkverbindung bringbaren Verbindungsflächen 36 am Außenumfang am Hauptbolzen 30 und 37 am Innenumfang der Schnittstelle 17, insbesondere Welle 40 realisiert. Über die Auslegung des Pressverbandes kann die erforderliche Ansprechkraft zum Auflösen der Verbindung eingestellt werden.
Bezugszeichenliste
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- 1, 1'
- Kupplungsanordnung
- 2, 2'
- mechanische Zugkupplung
- 3, 3'
- Luftkupplung
- 4
- Kupplungskopf
- 5
- Kupplungsstange
- 6
- Schnittstelle Kupplung/Schienenfahrzeug
- 7
- Zug- und/Stoßeinrichtung
- 8
- Gelenk
- 9
- Kuppelverschluss
- 10
- Druckstutzen
- 11
- Mundstück
- 12
- Strömungskanal
- 13
- Ventilanordnung
- 14
- Ventilantrieb
- 15
- Ventilkörper
- 16
- Ventilsitz
- 17
- Schnittstelle Ventilantrieb zum Kuppelverschluss
- 18
- Betätigungsnocken
- 19
- zumindest mittelbare Kopplung Ventilantrieb/Kuppelverschluss
- 20
- Verbindung Ventilantrieb/Hauptbolzen
- 21
- Überlastsicherung
- 22
- Abschereinrichtung
- 23
- Abscherpin
- 25
- Herzstück, Hakenplatte
- 26
- erster Anschluss
- 27
- Kuppelöse
- 28
- Maul
- 29
- Arretierung
- 30
- Hauptbolzen
- 31
- Federspeicher
- 32
- Stempel
- 33
- Klinkenstange
- 34
- Kupplung
- 35, 35'
- Schienenfahrzeug
- 36
- Verbindungsfläche
- 37
- Verbindungsfläche
- 38
- Abscherschraube
- HA
- Hauptachse