WO2021224305A1 - Formschlüssige bauteilverbindung; verbindungselement und schienenfahrzeugkupplung mit einer solchen bauteilverbindung zum verbinden wenigstens zweier bauteile - Google Patents

Formschlüssige bauteilverbindung; verbindungselement und schienenfahrzeugkupplung mit einer solchen bauteilverbindung zum verbinden wenigstens zweier bauteile Download PDF

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WO2021224305A1
WO2021224305A1 PCT/EP2021/061806 EP2021061806W WO2021224305A1 WO 2021224305 A1 WO2021224305 A1 WO 2021224305A1 EP 2021061806 W EP2021061806 W EP 2021061806W WO 2021224305 A1 WO2021224305 A1 WO 2021224305A1
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WO
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component
connecting element
component connection
connection according
notch
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Application number
PCT/EP2021/061806
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Inventor
Christoph Nikolaus
Eckart JÄDE
Arthur Kontetzki
Original Assignee
Voith Patent Gmbh
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C11/00—Pivots; Pivotal connections
    • F16C11/04—Pivotal connections
    • F16C11/045—Pivotal connections with at least a pair of arms pivoting relatively to at least one other arm, all arms being mounted on one pin
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16B—DEVICES FOR FASTENING OR SECURING CONSTRUCTIONAL ELEMENTS OR MACHINE PARTS TOGETHER, e.g. NAILS, BOLTS, CIRCLIPS, CLAMPS, CLIPS OR WEDGES; JOINTS OR JOINTING
    • F16B31/00—Screwed connections specially modified in view of tensile load; Break-bolts
    • F16B31/02—Screwed connections specially modified in view of tensile load; Break-bolts for indicating the attainment of a particular tensile load or limiting tensile load
    • F16B31/021—Screwed connections specially modified in view of tensile load; Break-bolts for indicating the attainment of a particular tensile load or limiting tensile load by means of a frangible part
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16B—DEVICES FOR FASTENING OR SECURING CONSTRUCTIONAL ELEMENTS OR MACHINE PARTS TOGETHER, e.g. NAILS, BOLTS, CIRCLIPS, CLAMPS, CLIPS OR WEDGES; JOINTS OR JOINTING
    • F16B5/00—Joining sheets or plates, e.g. panels, to one another or to strips or bars parallel to them
    • F16B5/02—Joining sheets or plates, e.g. panels, to one another or to strips or bars parallel to them by means of fastening members using screw-thread

Definitions

  • the present invention relates to a form-fitting component connection, a connecting element for such a component connection and a rail vehicle coupling with at least one form-fitting component connection for connecting at least two components.
  • predetermined component connections fail in a controlled manner when a specified failure load is reached in order to avoid overloads in other areas of the construction having the form-fitting component connection or to enable alternative load paths.
  • Conventional form-fitting component connections have at least one first component and at least one second component as well as a connection element that connects the first component with the second component in a form-fitting manner and is designed, for example, as a screw.
  • the screw has a specific cross-sectional weakening due to a circumferential groove made in its surface. Depending on its geometry, this circumferential groove sets the desired failure load at which the screw shank shears off.
  • the present invention is based on the object of specifying a form-fitting component connection, for example in an energy dissipation device of a rail vehicle coupling, the component connection withstanding load conditions up to an exactly adjustable failure load and at the same time having a comparatively high fatigue strength. Furthermore, if possible, the component connection should also be suitable for component connections that are characterized by two or more interfaces.
  • a connecting element for a form-fitting component connection is characterized by claim 13, a rail vehicle coupling with such a component connection by claim 14.
  • the dependent claims describe advantageous and particularly useful configurations of the component connection and
  • Rail vehicle coupling in particular an energy dissipation device of a rail vehicle coupling with such a form-fitting component connection.
  • the form-fitting component connection has at least one first component and at least one second component as well as a connection element that connects the first component to the second component in a form-fitting manner.
  • the connecting element is inserted through a hole penetrating the first component and the second component along an axis.
  • the connecting element has a hollow core extending along the axis.
  • the connecting element in addition to the hollow core, has at least one notch along its outer circumference, the notch preferably extending over the entire circumference, although a partial circumferential notch is also possible.
  • the hollow core which can extend concentrically to the axis, for example, allows a significantly higher fatigue strength of the connecting element to be achieved because the section modulus increases considerably compared to that of the known connecting elements. As a result, a significantly higher fatigue strength can be achieved with an identical given failure load.
  • the failure load can be precisely adjusted with a notch, since the notch represents a corresponding cross-sectional weakening and creates a notch effect.
  • the cross-sectional shape of the notch can be angular and / or round.
  • the combination of hollow core and notch thus offers the advantage of a very precise setting of the maximum possible transferable forces and thus a predefined failure load at which the connection is canceled by failure of the connecting element.
  • the component connection can be designed as a pre-stressed or non-pre-stressed connection.
  • a pre-tensioned design different variants are possible as to how the pre-tension is applied, for example by means of a screw connection or a plug connection with a counter element.
  • various drives are possible on the connecting element and / or on a counter element, such as external drives, for example external hexagon, or internal drives, for example with a hexagon socket or with a star shape.
  • the connecting element has a cylindrical, inside the bore through the first component and the second component extending shaft.
  • a shaft is particularly easy to manufacture and can easily be introduced into the components, for example through a correspondingly circular bore.
  • the hollow core within the connecting element is designed as a blind bore extending along the axis.
  • an area of the connecting element bearing a thread can be embodied without a core, that is to say solid.
  • the core is designed as a through hole through the connecting element. In this way, a particularly uniform section modulus can be achieved along the axis.
  • At least two or more filling elements are arranged in the hollow core, the extension of which ends in the area of the notches when viewed in the direction of the longitudinal axis.
  • the core filled in this way has a parting plane in the area of the shear plane, the rigidity of the overall system being higher at the same time.
  • the connecting element is manufactured as a 3D printed component and at least one, preferably a plurality of the cores are provided, which are arranged and designed in the interior of the connecting element in order to create recesses or recesses extending in the longitudinal direction of the connecting element in the area of the notch To form cavities.
  • the hollow cross section is thus only provided in the area of the actual shear surface.
  • the advantage of such a design consists in a considerable stiffening of the connecting element and thereby possibly a shorter path to total failure.
  • the individual core can be cylindrical, which makes it particularly easy to manufacture. However, other cross-sectional shapes, for example a star shape or a polygon shape, are also possible. An elliptical shape or other arched shapes are also possible in principle.
  • the connecting element is preferably designed as a screw. Accordingly, the connecting element can have a screw head and a thread onto which a counter element, for example a nut, is screwed or into which a counter element is screwed.
  • the screw head and / or the counter element can, as explained, have a corresponding drive, internal drive and / or external drive.
  • the first component and the second component are preferably prestressed against one another along the axis by the connecting element.
  • the connecting element is designed as a screw, it is preferably installed with a predetermined tightening torque. This allows a failure load to be set exactly.
  • the connecting element has a notch along its outer circumference in the region of at least one interface between the first component and the second component.
  • the notch extends in particular at least partially, preferably completely in the circumferential direction around the axis of the connecting element.
  • the notch is preferably arranged and aligned in a plane which is aligned perpendicular to a plane that can be written on through the axis of the connecting element and a perpendicular to this plane.
  • the invention can be used both with single-layer component connections and with multi-layer component connections.
  • a single-shear connection there is a single interface between the first component and the second component.
  • multi-tier connections there are at least two Interfaces between the first component and the second component.
  • more than two components can also be connected to one another with the connecting element, with a correspondingly increased number of interfaces between the components.
  • At least one corresponding notch is preferably provided for each interface on the outer circumference of the connecting element, which is advantageously positioned directly in the region of the interface.
  • Component connections of this type can be used particularly advantageously in connections in rail vehicle couplings in which a targeted failure of the connection element is to be brought about when a predefined load is exceeded.
  • a rail vehicle coupling according to the invention therefore has at least one form-fitting component connection of the type shown.
  • the use of such connecting elements in an energy dissipation device of a rail vehicle coupling and / or the linkage or support on a car body is particularly advantageous.
  • a form-fitting component connection is designed according to one of claims 1 to 12 on a predefined failure load as a function of the dimensioning of the hollow core and at least one of the following parameters or the group of parameters:
  • the maximum permissible force up to failure within the connection can be set locally in a targeted manner.
  • FIG. 1a shows, by way of example, a first embodiment of a form-fitting component connection
  • FIG. 1b shows, by way of example, a second embodiment of a form-fitting component connection
  • FIG. 2 shows a further development of a form-fitting component connection according to FIG. 1a;
  • FIG. 3 shows, by way of example, a further embodiment of a form-fitting component connection
  • FIG. 4 shows an example of an application of a form-fitting connection according to the invention in a rail vehicle coupling.
  • a form-fitting component connection according to the invention is shown, which is, for example, part of an energy dissipation device of a rail vehicle coupling.
  • the interlocking component connection has at least one first component 1 and at least one second component 2.
  • the component connection is designed in two sections with a first interface I and a second interface II. However, this is not mandatory.
  • a bore 4 is made through the two components 1, 2 and extends along the X axis.
  • a connecting element 3 is inserted into the bore 4, which in the exemplary embodiment shown, but not necessarily, extends beyond both axial ends of the bore 4.
  • the connecting element 3 could also be screwed into one of the components 1, 2 or otherwise fastened in the component 1, 2, for example with a form-fitting and / or frictional connection.
  • the connecting element 3 is characterized by an extension in the longitudinal direction and has a hollow core 5 which, viewed in the connection situation, extends along the axis X. The extension thus also takes place in the longitudinal direction of the connecting element 3.
  • the hollow core 5 extends in the direction of the longitudinal axis and also the axis X.
  • the hollow core 5 can be designed, for example, as a blind hole as in FIG. 1a, or as a through-hole, as shown in FIG. 1b.
  • the connecting element 3 is designed as a screw which has a screw head 7 resting on the first component 1, an adjoining shaft 8 and an external thread 9, onto which a nut 10, which is also supported on the first component 1 via a washer 11, is screwed is. If a single-shear connection were provided, the nut 10 would correspondingly be supported on the second component 2.
  • the connecting element 3 is characterized by an extension in the longitudinal direction, the longitudinal axis coinciding with the X axis.
  • a notch 6 is provided in the outer surface of the shaft 8, which extends along the circumference of the connecting element 3 and, in the exemplary embodiment shown, is positioned exactly in the area of the respective interface I, II. However, a different positioning could also be selected.
  • the notch 6 can have a round and / or angled cross section.
  • FIG. 2 shows a further development of how this can be used for the embodiments according to FIGS. 1a and 1b.
  • FIG. 2 shows a further development of the embodiment according to FIG. 1a.
  • the hollow core 5, designed as a blind bore according to FIG. 1a is filled by means of filling elements 18.1 to 18.3, in the illustrated case in the form of fully cylindrical elements.
  • the design according to Figure 2 is also suitable for through-holes, in which case the through-hole, viewed in the longitudinal direction of its course, is characterized by different cross-sectional areas in order to ensure support for the filling elements 18.1 to 18.3, in particular the fully cylindrical elements, and to prevent them from falling out.
  • FIG. 3 shows an example of a connection situation as shown in FIGS. 1 and 2, an alternative embodiment of a connection element 3 as a 3D printed component.
  • this one or more hollow cores 5 are provided, which are arranged within the connecting element 3, the arrangement and alignment being carried out in such a way that, viewed in the longitudinal direction of the connecting element 3, they are arranged in the region of the notches 6 and are arranged in the longitudinal direction via a Partial area of the extension of the connecting element 3 extending recess or cavity 12.1 to 12.3 are formed.
  • the cross-section of the individual cavity corresponds, viewed transversely to the longitudinal direction of the connecting element 3, with regard to the selected Basic geometry preferably that of the connecting element, but with smaller dimensions.
  • Figure 4 shows an example of an application of a component connection according to the invention in a rail vehicle coupling 13 Coupling head 14 with coupling rod 15 on the car body takes place via a linkage 16.
  • component connection according to the invention in a linkage 16 on the car body, for example in the form of shear bolts between the joint and the bearing or the bearing and the car body, etc.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine formschlüssige Bauteilverbindung mit wenigstens einem ersten Bauteil und mit wenigstens einem zweiten Bauteil; mit einem das erste Bauteil formschlüssig mit dem zweiten Bauteil verbindenden Verbindungselement, das durch eine das erste Bauteil und das zweite Bauteil entlang einer Achse durchdringende Bohrung gesteckt ist. Die erfindungsgemäße formschlüssige Bauteilverbindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement einen sich entlang der Achse erstreckenden hohlen Kern aufweist.

Description

Formschlüssige Bauteilverbindung; Verbindungselement und Schienenfahrzeugkupplung mit einer solchen Bauteilverbindung zum Verbinden wenigstens zweier Bauteile
Die vorliegende Erfindung betrifft eine formschlüssige Bauteilverbindung, ein Verbindungselement für eine derartige Bauteilverbindung und eine Schienenfahrzeugkupplung mit wenigstens einer formschlüssigen Bauteilverbindung zum Verbinden wenigstens zweier Bauteile.
Bei Energieverzehrvorrichtungen in Schienenfahrzeugkupplungen und auch bei anderen technischen Konstruktionen müssen definierte Lasten sicher und dauerfest über formschlüssige Bauteilverbindungen übertragen werden. Gleichzeitig ist es bei bestimmten Anwendungen wünschenswert, dass vorbestimmte Bauteilverbindungen bei Erreichen einer festgelegten Versagenslast kontrolliert versagen, um Überlasten in anderen Bereichen der die formschlüssige Bauteilverbindung aufweisenden Konstruktion zu vermeiden beziehungsweise um alternative Lastwege zu ermöglichen.
Herkömmliche formschlüssige Bauteilverbindungen weisen wenigstens ein erstes Bauteil und wenigstens ein zweites Bauteil sowie ein das erste Bauteil formschlüssig mit dem zweiten Bauteil verbindendes Verbindungselement auf, das beispielsweise als Schraube ausgeführt ist. Die Schraube weist eine gezielte Querschnittschwächung durch eine in ihrer Oberfläche eingebrachte Umfangsnut auf. Diese Umfangsnut stellt in Abhängigkeit ihrer Geometrie die gewünschte Versagenslast ein, bei welcher an Abscheren des Schraubenschafts erfolgt.
Nachteilig bei den bekannten Ausgestaltungen ist, dass durch die Querschnittsschwächung mit einer Oberflächennut auch die Dauerfestigkeit des entsprechenden Verbindungselementes stark herabgesetzt wird. Andere Lösungen, wie beispielsweise in US 6,981,599 B2 beschrieben, sehen eine Hohlbohrung in einem gewindetragenden Bauteil vor mit dem Ziel, dieses gezielt zu schwächen, um ein unter Last definiertes Versagen des gewindetragenden Bauteils zu ermöglichen. Nachteilig ist, dass die Hohlbohrung nicht beliebig auslegbar ist, sondern dieser im Hinblick auf die Funktion und Festigkeit des Verbindungselementes Grenzen gesetzt sind.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine formschlüssige Bauteilverbindung, beispielsweise in einer Energieverzehrvorrichtung einer Schienenfahrzeugkupplung, anzugeben, wobei die Bauteilverbindung Lastzustände bis zu einer exakt einstellbaren Versagenslast erträgt und zugleich eine vergleichsweise hohe Dauerfestigkeit aufweist. Des Weiteren soll die Bauteilverbindung nach Möglichkeit auch für Bauteilverbindungen, die durch zwei oder mehrere Schnittstellen charakterisiert sind, geeignet sein.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch eine formschlüssige Bauteilverbindung mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Ein Verbindungselement für eine formschlüssige Bauteilverbindung ist durch Anspruch 13 charakterisiert, eine Schienenfahrzeugkupplung mit einer derartigen Bauteilverbindung durch Anspruch 14. In den abhängigen Ansprüchen werden vorteilhafte und besonders zweckmäßige Ausgestaltungen der Bauteilverbindung sowie
Schienenfahrzeugkupplung, insbesondere eine Energieverzehrvorrichtung einer Schienenfahrzeugkupplung mit einer solchen formschlüssigen Bauteilverbindung angegeben.
Die erfindungsgemäße formschlüssige Bauteilverbindung weist wenigstens ein erstes Bauteil und wenigstens ein zweites Bauteil sowie ein das erste Bauteil formschlüssig mit dem zweiten Bauteil verbindendes Verbindungselement auf. Das Verbindungselement ist durch eine das erste Bauteil und das zweite Bauteil entlang einer Achse durchdringende Bohrung gesteckt. Das Verbindungselement einen sich entlang der Achse erstreckenden hohlen Kern auf. Erfindungsgemäß weist das Verbindungselement neben dem hohlen Kern wenigstens eine Kerbe entlang seines äußeren Umfangs auf, wobei sich die Kerbe bevorzugt über den gesamten Umfang erstreckt, jedoch auch eine Teilumfangskerbe möglich ist. Durch den hohlen Kern, der sich beispielsweise konzentrisch zur Achse erstrecken kann, kann eine signifikant höhere Dauerfestigkeit des Verbindungselements erreicht werden, weil sich das Widerstandsmoment im Vergleich zu jenem der bekannten Verbindungselemente erheblich erhöht. Dadurch kann bei identischer gegebener Versagenslast eine wesentlich höhere Dauerfestigkeit erreicht werden. Mit einer Kerbe kann die Versagenslast exakt eingestellt werden, da die Kerbe eine entsprechende Querschnittsschwächung darstellt und eine Kerbwirkung erzeugt. Der Querschnittsform der Kerbe kann eckig und/oder rund sein.
Die Kombination aus hohlem Kern und Kerbe bietet damit den Vorteil einer sehr exakten Einstellung der maximal möglich übertragbaren Kräfte und damit einer vordefinierten Versagenslast, bei welcher die Verbindung durch Versagen des Verbindungselementes aufgehoben wird.
Die Bauteilverbindung kann als vorgespannte oder als nicht vorgespannte Verbindung ausgeführt sein. Bei einer vorgespannten Ausführung sind verschiedene Varianten möglich, wie die Vorspannung aufgebracht wird, zum Beispiel mittels einer Schraubverbindung oder einer Steckverbindung mit Konterelement. Bei einer Schraubverbindung sind verschiedene Antriebe am Verbindungselement und/oder an einem Konterelement möglich, wie Außenantriebe, zum Beispiel Außensechskant, oder Innenantriebe, beispielsweise mit Innensechskant oder mit einer Sternform.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform weist das Verbindungselement einen zylinderförmigen, sich innerhalb der Bohrung durch das erste Bauteil und das zweite Bauteil erstreckenden Schaft auf. Ein solcher Schaft ist besonders leicht herstellbar und kann leicht beispielsweise durch eine entsprechend kreisrunde Bohrung in den Bauteilen eingeführt werden.
Gemäß einer ersten Ausführungsform ist der hohle Kern innerhalb des Verbindungselementes als sich entlang der Achse erstreckende Blindbohrung ausgeführt. Dabei kann beispielsweise ein ein Gewinde tragender Bereich des Verbindungselementes ohne Kern, das heißt massiv ausgeführt sein.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist der Kern als Durchgangsbohrung durch das Verbindungselement ausgeführt. Damit kann ein besonders einheitliches Widerstandsmoment entlang der Achse erreicht werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der beiden Ausführungen sind im hohlen Kern wenigstens zwei oder mehr Füllelemente, insbesondere in Form von vollzylindrischen Elementen angeordnet, deren Erstreckung in Richtung der Längsachse betrachtet im Bereich der Kerben endet. Der so aufgefüllte Kern weist im Bereich der Scherebene eine Trennebene auf, wobei gleichzeitig die Steifigkeit des Gesamtsystems höher ist.
Gemäß einer weiteren alternativen Ausführungsform ist das Verbindungselement als 3D-Druckbauteil gefertigt und es sind wenigstens ein, vorzugsweise eine Mehrzahl der Kernen vorgesehen, welche derart im inneren des Verbindungselementes angeordnet und ausgebildet sind, um im Bereich der Kerbe sich in Längsrichtung des Verbindungselementes erstreckende Ausnehmungen bzw. Hohlräume auszubilden. Der hohle Querschnitt wird damit nur im Bereich der eigentlichen Scherfläche bereitgestellt. Der Vorteil einer derartigen Ausbildung besteht in einer erheblichen Versteifung des Verbindungselementes und dadurch ggf. ein kürzerer Weg bis zum Totalversagen. Der einzelne Kern kann zylinderförmig sein, wodurch er sich besonders leicht hersteilen lässt. Jedoch kommen auch andere Querschnittsformen, beispielsweise eine Sternform oder eine Polygonform, in Betracht. Auch eine elliptische Form oder andere Bogenformen sind prinzipiell möglich.
Bevorzugt ist das Verbindungselement als Schraube ausgeführt. Demnach kann das Verbindungselement einen Schraubenkopf und ein Gewinde aufweisen, auf welches ein Konterelement, beispielsweise eine Mutter, aufgeschraubt oder in welches ein Konterelement eingeschraubt ist. Der Schraubenkopf und/oder das Konterelement kann, wie dargelegt, einen entsprechenden Antrieb, Innenantrieb und/oder Außenantrieb, aufweisen.
Bevorzugt sind das erste Bauteil und das zweite Bauteil durch das Verbindungselement entlang der Achse gegeneinander vorgespannt. Beispielsweise bei Gestaltung des Verbindungselementes als Schraube wird diese vorzugsweise mit einem vorgegebenen Anzugsmoment montiert. Dadurch kann eine Versagenslast exakt eingestellt werden.
Insbesondere weist das Verbindungselement im Bereich wenigstens einer Schnittstelle zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil eine Kerbe entlang seines äußeren Umfangs auf. Die Kerbe erstreckt sich dabei insbesondere wenigstens teilweise, vorzugsweise vollständig in Umfangsrichtung um die Achse des Verbindungselementes. Die Anordnung und Ausrichtung der Kerbe erfolgt dabei vorzugsweise in einer Ebene, welche senkrecht zu einer durch die Achse des Verbindungselementes und einer Senkrechten zu dieser beschreibbaren Ebene ausgerichtet ist.
Die Erfindung ist sowohl bei einschnittigen Bauteilverbindungen wie auch bei mehrschnittigen Bauteilverbindung anwendbar. Bei einer einschnittigen Verbindung gibt es eine einzige Schnittstelle zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil. Bei mehrschnittigen Verbindungen gibt es wenigstens zwei Schnittstellen zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil. Selbstverständlich können auch mehr als zwei Bauteile mit dem Verbindungselement miteinander verbunden sein, mit einer entsprechend erhöhten Anzahl von Schnittstellen zwischen den Bauteilen.
Wenn mehrere Bauteilschnittstellen vorgesehen sind, so ist bevorzugt je Schnittstelle wenigstens eine entsprechende Kerbe am äußeren Umfang des Verbindungselements vorgesehen, die vorteilhaft unmittelbar im Bereich der Schnittstelle positioniert ist.
Besonders vorteilhaft einsetzbar sind derartige Bauteilverbindungen in Verbindungen in Schienenfahrzeugkupplungen, bei welchen bei Überschreitung einer vordefinierten Last ein gezieltes Versagen des Verbindungselementes herbeigeführt werden soll. Eine erfindungsgemäße Schienenfahrzeugkupplung weist daher wenigstens eine formschlüssige Bauteilverbindung der dargestellten Art auf. Besonders vorteilhaft ist der Einsatz derartiger Verbindungelemente in einer Energieverzehrvorrichtung einer Schienenfahrzeugkupplung und/oder der Anlenkung bzw. Abstützung an einem Wagenkasten.
Erfindungsgemäß erfolgt die Auslegung einer formschlüssigen Bauteilverbindung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12 auf eine vordefinierte Versagenslast als Funktion der Dimensionierung des hohlen Kerns und zumindest einer der nachfolgenden Parameter oder der Gruppe von Parametern:
- der Anzahl der Kerben
- der Anordnung der einzelnen Kerbe
- der Dimensionierung der einzelnen Kerbe
Insbesondere durch die Art und Anordnung der Kerben kann die maximal zulässige Kraft bis zum Versagen innerhalb der Verbindung örtlich gezielt eingestellt werden. Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und den Figuren exemplarisch erläutert werden.
Figur 1a zeigt beispielhaft eine erste Ausführungsform einer formschlüssigen Bauteilverbindung;
Figur 1b zeigt beispielhaft eine zweite Ausführungsform einer formschlüssigen Bauteilverbindung;
Figur 2 zeigt eine Weiterbildung einer formschlüssigen Bauteilverbindung gemäß Figur 1a;
Figur 3 zeigt beispielhaft eine weitere Ausführungsform einer formschlüssigen Bauteilverbindung;
Figur 4 zeigt beispielhaft eine Anwendung einer erfindungsgemäßen formschlüssigen Verbindung in einer Schienenfahrzeugkupplung.
In den Figuren 1a und 1b ist eine erfindungsgemäße formschlüssige Bauteilverbindung gezeigt, die beispielsweise Bestandteil einer Energieverzehrvorrichtung einer Schienenfahrzeugkupplung ist. Die formschlüssige Bauteilverbindung weist wenigstens ein erstes Bauteil 1 und wenigstens ein zweites Bauteil 2 auf. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Bauteilverbindung zweischnittig mit einer ersten Schnittstelle I und einer zweiten Schnittstelle II ausgeführt. Dies ist jedoch nicht zwingend.
Durch die beiden Bauteile 1, 2 ist eine Bohrung 4 eingebracht, die sich entlang der Achse X erstreckt. In die Bohrung 4 ist ein Verbindungselement 3 eingesteckt, das sich im gezeigten Ausführungsbeispiel, jedoch nicht zwingend, über beide axiale Enden der Bohrung 4 hinaus erstreckt. Alternativ könnte beispielsweise das Verbindungselement 3 auch in eines der Bauteile 1, 2 eingeschraubt sein oder anderweitig in dem Bauteil 1, 2 befestigt sein, beispielsweise mit einer formschlüssigen und/oder reibschlüssigen Verbindung. Das Verbindungselement 3 ist durch eine Erstreckung in Längsrichtung charakterisiert und weist einen hohlen Kern 5 auf, der sich in der Verbindungssituation betrachtet entlang der Achse X erstreckt. Die Erstreckung erfolgt damit auch in Längsrichtung des Verbindungselementes 3. Der hohle Kern 5 erstreckt sich dabei in Richtung der Längsachse und auch der Achse X.
Der hohle Kern 5 kann beispielsweise als Blindbohrung wie in Figur 1a, oder als Durchgangsdurchbohrung, wie in Figur 1b dargestellt, ausgeführt sein.
Das Verbindungselement 3 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel als Schraube ausgeführt, die einen am ersten Bauteil 1 anliegenden Schraubenkopf 7, einen sich daran anschließenden Schaft 8 und ein Außengewinde 9 aufweist, auf welches eine sich über eine Unterlegscheibe 11 ebenfalls am ersten Bauteil 1 abstützende Mutter 10 aufgeschraubt ist. Wenn eine einschnittige Verbindung vorgesehen wäre, würde sich die Mutter 10 entsprechend am zweiten Bauteil 2 abstützen. Das Verbindungselement 3 ist durch eine Erstreckung in Längsrichtung charakterisiert, wobei die Längsachse mit der Achse X zusammenfällt.
Je Schnittstelle I, II ist in der äußeren Oberfläche des Schafts 8 eine Kerbe 6 vorgesehen, die sich entlang des Umfangs des Verbindungselements 3 erstreckt und im gezeigten Ausführungsbeispiel exakt im Bereich der jeweiligen Schnittstelle I, II positioniert ist. Es könnte jedoch auch eine andere Positionierung gewählt sein.
Die Kerbe 6 kann einen runden und/oder winkligen Querschnitt aufweisen.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist eine weitere Kerbe 6 unterhalb des Schraubenkopfes 7 vorgesehen, dies ist jedoch nicht zwingend. Ferner könnte zusätzlich auch im Bereich der Mutter 10 beziehungsweise der Unterlegscheibe 11 an der entsprechenden Schnittstelle zum Bauteil 1 eine Kerbe 6 vorgesehen ein. Figur 2 zeigt eine Weiterbildung, wie diese für die Ausführungen gemäß der Figuren 1a und 1b zum Einsatz gelangen kann. Figur 2 zeigt insbesondere eine Weiterbildung der Ausführung gemäß Figur 1a. Bei dieser wird der als Blindbohrung gemäß Figur 1a ausgebildete hohle Kern 5 mittels Füllelementen 18.1 bis 18.3, im dargestellten Fall in Form von vollzylindrischen Elementen, aufgefüllt. Diese sind derart bemessen und ausgelegt, dass im eingelegten Zustand deren Erstreckung entlang der Achse X betrachtet jeweils im Bereich der Kerben 6 endet. Die Endbereiche der einzelnen Füllelemente 18.1 bis 18.3 beschreiben dabei sogenannte Trennbereiche des Verbindungselementes 3 im hohlen Kern 5, welche mit den Scherbereichen zusammenfallen. Bei dieser Ausführung wird der Vorteil des Vollprofils des Verbindungselementes insbesondere in Form höherer Steifigkeit mit einem gezielten einfachen Ansprechen der Trennbereiche kombiniert.
Die Ausbildung gemäß Figur 2 ist auch für Durchgangsbohrungen geeignet, wobei in diesem Fall die Durchgangsbohrung in Längsrichtung ihres Verlaufes betrachtet durch unterschiedliche Querschnittsbereiche charakterisiert ist, um eine Abstützung der Füllelemente 18.1 bis 18.3, insbesondere der vollzylindrischen Elemente zu gewährleisten und ein Herausfallen zu verhindern.
Figur 3 zeigt beispielhaft anhand einer Verbindungssituation, wie in den Figuren 1 und 2 dargestellt eine alternative Ausführung eines Verbindungselementes 3 als 3D-Druckbauteil. Bei diesem ist ein oder sind mehrere hohle Kerne 5 vorgesehen, welche innerhalb des Verbindungselementes 3 angeordnet sind, wobei die Anordnung und Ausrichtung derart erfolgt, dass diese in Längsrichtung des Verbindungselementes 3 betrachtet im Bereich der Kerben 6 angeordnet sind und sich als in Längsrichtung über einen Teilbereich der Erstreckung des Verbindungselementes 3 erstreckende Ausnehmung bzw. Hohlraum 12.1 bis 12.3 ausgebildet sind. Der Querschnitt des einzelnen Hohlraumes entspricht quer zur Längsrichtung des Verbindungselementes 3 betrachtet hinsichtlich der gewählten Grundgeometrie vorzugsweise der des Verbindungselementes, allerdings mit geringeren Abmessungen.
Figur 4 zeigt beispielhaft eine Anwendung einer erfindungsgemäßen Bauteilverbindung in einer Schienenfahrzeugkupplung 13. Diese umfasst einen Kupplungskopf 14 und eine mit dieser verbundene Kupplungsstange 15 mit integrierter Energieverzehreinrichtung 17, wobei zum Verbinden zweier Bauteile dieser eine erfindungsgemäße Bauteilverbindung vorgesehen ist, insbesondere Verbindungselemente 3. Die Anbindung des Kupplungskopfes 14 mit Kupplungsstange 15 am Wagenkasten erfolgt über eine Anlenkung 16.
Eine weitere, hier im Einzelnen nicht dargestellte Möglichkeit besteht darin, die erfindungsgemäße Bauteilverbindung auch in einer Anlenkung 16 am Wagenkasten einzusetzen, beispielsweise in Form von Abscherbolzen zwischen Gelenk und Lager oder Lager und Wagenkasten etc.
Bezugszeichenliste
1 erstes Bauteil
2 zweites Bauteil
3 Verbindungselement
4 Bohrung
5 Kern
6 Kerbe
7 Schraubenkopf
8 Schaft
9 Außengewinde
10 Mutter 11 Unterlegscheibe
12.1 , 12.2, 12.3 Hohlraum
13 Schienenfahrzeugkupplung
14 Kupplungskopf
15 Kupplungsstange
16 Anlenkung, Abstützung 17 Energieverzehreinrichtung
18.1 , 18.2, 18.3 Füllelement X Achse
I Schnittstelle
II Schnittstelle

Claims

Patentansprüche
1. Formschlüssige Bauteilverbindung mit wenigstens einem ersten Bauteil (1) und mit wenigstens einem zweiten Bauteil (2); mit einem das erste Bauteil (1) formschlüssig mit dem zweiten Bauteil (2) verbindenden Verbindungselement (3), das durch eine das erste Bauteil (1) und das zweite Bauteil (2) entlang einer Achse (X) durchdringende Bohrung (4) gesteckt ist; das Verbindungselement (3) einen sich zumindest teilweise entlang der Achse (X) erstreckenden hohlen Kern (5) aufweist dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (3) wenigstens eine sich zumindest teilweise entlang seines äußeren Umfangs erstreckende Kerbe (6) aufweist.
2. Formschlüssige Bauteilverbindung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (3) einen zylinderförmigen, sich innerhalb der Bohrung (4) durch das erste Bauteil (1) und das zweite Bauteil (2) erstreckenden Schaft (8) aufweist.
3. Formschlüssige Bauteilverbindung gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (5) als sich entlang der Achse (X) erstreckende Blindbohrung ausgeführt ist.
4. Formschlüssige Bauteilverbindung gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (5) als sich entlang der Achse (X) erstreckende Durchgangsbohrung ausgeführt ist.
5. Formschlüssige Bauteilverbindung gemäß einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass im hohlen Kern (5) wenigstens zwei oder mehr Füllelemente (18.1, 18.2, 18.3), insbesondere vollzylindrische Elemente angeordnet sind, deren Erstreckung in Längsrichtung des Verbindungselementes (3) betrachtet im Bereich der Kerben (6) endet.
6. Formschlüssige Bauteilverbindung gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement als 3D- Druckbauteil ausgebildet ist und der einzelne Kern (5) in Längsrichtung des Verbindungselementes (3) betrachtet im Bereich der Kerbe (6) als sich in dieser Richtung erstreckende Ausnehmung bzw. Hohlraum (12.1, 12.2, 12.3) ausgeführt ist.
7. Formschlüssige Bauteilverbindung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (3) als Schraube ausgeführt ist.
8. Formschlüssige Bauteilverbindung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bauteil (1) und das zweite Bauteil (2) durch das Verbindungselement (3) entlang der Achse (X) gegeneinander verspannt sind.
9. Formschlüssige Bauteilverbindung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (3) im Bereich wenigstens einer Schnittstelle (I, II) zwischen dem ersten Bauteil (1) und dem zweiten Bauteil (2) mit einer Kerbe (6) entlang des äußeren Umfangs versehen ist.
10. Formschlüssige Bauteilverbindung gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (3) im Bereich jeder Schnittstelle zwischen dem ersten Bauteil (1) und dem zweiten Bauteil (2) mit wenigstens einer Kerbe (6) entlang des äußeren Umfangs versehen ist.
11. Formschlüssige Bauteilverbindung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelne Kerbe sich quer oder in einem Winkel zur Achse des Verbindungselementes teilweise oder vollständig in Umfangsrichtung des Verbindungselementes (3) erstreckt.
12. Formschlüssige Bauteilverbindung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils der hohle Kern (5) und/oder die einzelne Kerbe (6) durch nachfolgend genannte Parameter charakterisiert sind:
- wenigstens eine, die Geometrie des Querschnittes beschreibende Größe
- wenigstens eine, die Dimensionierung beschreibende Größe; wobei die Versagenslast des Verbindungselementes (3) als Funktion dieser Parameter festlegbar ist.
13. Verbindungselement für eine formschlüssige Bauteilverbindung, welches als Schraube oder Steckbolzen ausgebildet ist, mit einem sich entlang einer Längsachse erstreckenden Schaft, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (3) einen sich entlang seiner Längsachse erstreckenden hohlen Kern und wenigstens eine, sich zumindest teilweise entlang seines äußeren Umfangs erstreckende Kerbe (6) aufweist.
14. Schienenfahrzeugkupplung mit wenigstens einer formschlüssigen Bauteilverbindung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12 zum Verbinden zweier Bauteile.
15. Schienenfahrzeugkupplung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine formschlüssigen Bauteilverbindung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12 in einer Anlenkung zum Ankoppeln an einen Wagenkasten und/oder einer Energieverzehreinrichtung der Schienenfahrzeugkupplung vorgesehen ist.
16. Verfahren zur Auslegung einer formschlüssigen Bauteilverbindung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12 auf eine vordefinierte Versagenslast, dadurch gekennzeichnet, dass die Versagenslast als Funktion der Dimensionierung des hohlen Kerns und zumindest einer der nachfolgenden Parameter oder der Gruppe von Parametern einstellbar ist:
- der Anzahl der Kerben
- der Anordnung der einzelnen Kerbe
- der Dimensionierung der einzelnen Kerbe
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