DE19605791A1

DE19605791A1 - Anordnung zum Lagern einer Schiene

Info

Publication number: DE19605791A1
Application number: DE1996105791
Authority: DE
Inventors: Erich Dipl Ing Nuding; Hans-Ulrich Dr Ing Dietze
Original assignee: Butzbacher Weichenbau GmbH
Current assignee: Voestalpine Turnout Technology Germany GmbH
Priority date: 1996-02-16
Filing date: 1996-02-16
Publication date: 1997-08-21
Anticipated expiration: 2016-02-17
Also published as: DE19605791C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum Lagern einer Schiene auf einer Ab stützung wie Schwelle, umfassend ein die Schiene niederhaltendes erstes Federelement einer Steifigkeit C₂ und ein vorzugsweise auf einer Unterlage wie Rippenplatte angeordnetes die Schiene abstützendes zweites Federelement, wobei das erste und das zweite Federelement ein Gesamtfedersystem mit einer Kennlinie C_GS bilden, das mit einer Kraft (F₁, F₂) vorspannbar ist (Vorspannzustand).

Gleise durchfahrende Schienenfahrzeuge erzeugen in dem Gleis eine dem Schienenfahrzeug vorauseilende Welle derart, daß sich im Bereich der Abstützungen eine Abhebewelle ausbildet, wodurch die Unterstützung mit der angehobenen Schiene mitgenommen wird. Hierdurch bedingt tritt eine unerwünschte Relativbewegung zwischen der Unterstützung wie Schwelle und dem Untergrund wie Schotterbett auf. Zwar wird die Auffassung vertreten, daß dann, wenn die Unterstützung eine hohe Masse aufweist, das Abheben eliminiert werden kann. Messungen an befahrenen Gleisen haben jedoch gezeigt, daß auch bei hohen Massen der Unterstützung wie bei einer festen Fahrbahn die dem Schienenfahrzeug vorauseilende Abhebewelle dazu führt, daß die Abstützung im gewissen Umfang mit an- bzw. abgehoben wird.

Das Abheben kann damit erklärt werden, daß die Schiene einerseits mittels einer Klemmfeder niedergehalten und andererseits auf einer elastischen Zwischenlage, die ihrerseits auf einer Unterstützung wie Rippenplatte angeordnet ist, abgestützt ist. Beide Federn bilden ein Gesamtfedersystem, in dem die Federn gegensinnig wirken. Nach dem Stand der Technik weist die Zwischenlage eine hohe Steifigkeit von häufig mehreren 100 kN/mm auf, wohin gegen die Steifigkeit der Klemmfedern im Bereich von insgesamt in etwa 2 kN/mm liegt. Aus den beiden Federkennlinien ergibt sich eine geknickte Kennlinie derart, daß vom vorgespannten Ruhezustand ausgehend die Gesamtkennlinie zunächst eine hohe Steifigkeit aufweist, die in eine geringe Steifigkeit mit der Folge übergeht, daß das Gesamtsystem aus Schiene und Unterstützung zunächst eine Einheit bildet, die bedingt, daß beim Einleiten einer Schwingung in die Schiene diese zusammen mit der Schwelle abheben kann.

Der vorliegenden Erfindung liegt nun das Problem zugrunde, eine Anordnung der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß ein Abheben einer Unterstützung bei in die Schiene eingeleiteter Abhebewelle unterbleibt oder weitgehend unterbleibt.

Das Problem wird erfindungsgemäß im wesentlichen dadurch gelöst, daß das zweite Feder element eine Federkennlinie derart aufweist, daß im Vorspannzustand bei Reduzierung der Vorspannkraft F₁ in bezug auf das zweite Federelement diese eine Steifigkeit C₁ und bei Einleiten einer zusätzlichen zur Vorspannkraft F₁ gleichgerichteten Kraft F das zweite Federelement eine Steifigkeit C₃ mit C₃ » C₁ aufweist, wobei die Steifigkeit C₁ derart ist, daß bei Einleiten einer Abhebewelle in die Schiene eine Entkopplung oder weitgehende Entkopp lung zwischen der Schiene und der Abstützung erfolgt. Insbesondere ist vorgesehen, daß beim Abheben der Schiene die Steifigkeit C₁ des zweiten Federelementes in etwa C₁ 10 kN/mm, insbesondere C₁ 6,5 kN/mm beträgt.

Um die gewünschte Entkopplung beim Abheben der Schiene und die erforderliche Steifigkeit des zweiten Federelementes bei über die Schiene einwirkender Achslast sicherzustellen, sollte bei auf die Schiene oberhalb der Unterstützung einwirkender üblicher Achslast eines Schie nenfahrzeuges die Steifigkeit C₃ des zweiten Federelementes zumindest 10mal größer als die Steifigkeit C₁ sein. Dabei kann die Steifigkeit C₃ des zweiten Federelementes bei einer üblichen Achslast einen Wert von in etwa 22,5 t in etwa C₃ 200 kN/mm aufweisen.

Um die erforderliche Kennlinie des zweiten Federelementes zu realisieren, sieht ein hervor zuhebender Vorschlag der Erfindung vor, daß das zweite Federelement eine zwischen Schienenfuß und Unterlage angeordnete Zwischenlage ist, wobei die Zwischenlage eine Bodenfläche mit von dieser ausgehenden Aussparungen sowie fußseitige Erhebungen aufweist. Die Aussparungen und die Erhebungen sollten dabei parallel zueinander verlaufende Flanken aufweisen, die zur Bodenfläche einen Winkel α mit insbesondere 20° < α < 60°, insbesondere α ≈ 30° im Ruhezustand der Zwischenlage aufweisen. Diese Werte gelten, wenn die Zwischenlage unbelastet ist.

Von besonderem Vorteil ist es, wenn die Erhebungen in einer gemeinsamen Ebene ver laufende plateauartige Abschnitte aufweisen, die parallel zur Bodenfläche der Zwischenlage verlaufen. Die von der Bodenfläche ausgehenden Aussparungen selbst sind durch Abschnitte der Bodenfläche getrennt zueinander angeordnet. Dabei ist die Zwischenlage und die Aus bildung der Aussparungen bzw. Erhebungen derart gewählt, daß bei auf die Zwischenlage einwirkender Achslast die Zwischenlage eine geschlossene Bodenfläche aufweist, also quasi eine starre Platte ist, die die erforderliche Steifigkeit zeigt.

In Weiterbildung der Erfindung weist die Zwischenlage in ihrem unbelasteten Zustand eine Dicke D und die jeweilige Aussparung eine Höhe H mit H 1/2 D auf. Nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung ist vorgesehen, daß die Aussparungen mit ihren Scheitelpunkten in einer Ebene verlaufen, in der die Erhebungen mit ihren Tiefpunkten enden.

Die Aussparungen und/oder zwischen den Erhebungen verlaufende Vertiefungen selbst sind vorzugsweise als parallel zueinander verlaufende Rinnen oder Rillen ausgebildet, wobei die Rillen der Aussparungen mittig zwischen den Rillen der Erhebungen verlaufen und umge kehrt. Ferner sollten sich die Rillen senkrecht zur Längsachse der Schiene erstrecken.

Die Steifigkeit C₃ der Zwischenlage sollte insbesondere derart ausgebildet werden, daß diese dann unverändert oder weitgehend unverändert bleibt, wenn die Flanken der Aussparungen um x % verformt sind, wobei 10% < x < 50%, insbesondere 10% < x < 20%, insbesonde re 13% < x < 15% beträgt.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen - für sich und/oder in Kombination -, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines der Zeichnung zu entnehmenden bevorzugten Ausführungsbeispiels.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung einer auf einer Unterlage angeordneten Schiene,

Fig. 2 Federkennlinien der der Fig. 1 zu entnehmenden Federn und des aus diesen gebilde ten Systems,

Fig. 2a aus den Federkennlinien gemäß Fig. 2 gebildete Gesamtlinien,

Fig. 3 rein prinzipiell Federkennlinien einer erfindungsgemäßen Anordnung zum Lagern einer Schiene,

Fig. 3a aus den Federkennlinien gemäß Fig. 3 gebildete Gesamtlinien,

Fig. 4 eine Federkennlinie eines zwischen Schiene und Unterlage angeordneten erfindungs gemäßen Federelements,

Fig. 5 eine Draufsicht einer Zwischenlage,

Fig. 6 einen Schnitt entlang der Linie B in Fig. 5,

Fig. 7 einen Schnitt entlang der Linie A-A in Fig. 5 und

Fig. 8 einen Ausschnitt einer Zwischenlage.

In Fig. 1 ist rein prinzipiell eine auf einer Unterlage wie Rippenplatte 10 angeordnete Schiene 12 mit Schienenfuß 14, Steg 16 und Kopf 18 dargestellt.

Nach dem Stand der Technik wird die Schiene 12 über eine eine Federkennlinie C₁ auf weisende elastische Zwischenlage 20 auf der Rippenplatte 10 abgestützt. Oberhalb des Schie nenfußes 14 ist die Schiene 12 über zum Beispiel Klemmfedern 22, 24 niedergehalten, die jeweils eine Steifigkeit C₂′, also eine Gesamtsteifigkeit C₂ besitzen. Die durch die Steifigkei ten C₁ und C₂ charakterisierten Federn 20 und 22, 24 wirken gegeneinander, wobei nach dem Stand der Technik die Klemmfedern 22, 24 eine Gesamtsteifigkeit C₂ von in etwa 2 kN/mm und die Zwischenlage 20 eine Steifigkeit von mehreren 100 kN/mm aufweisen. Hieraus ergibt sich eine Gesamtkennlinie C_GS, die anhand der Fig. 2, Fig. 2a rein prinzipiell zu erläutern ist, in der über die Abszisse der Stellweg S und über die Ordinate die Kraft F dargestellt ist. F ist die resultierende Kraft, die auf die Federn 20, 22, 24 in Richtung der Unterlage 10 wirkt.

Bei Fehlen äußerer Kräfte sind die Federn 20, 22, 24 zum Beispiel mit einer Kraft F = F₁ = F₂ = 20 kN vorgespannt. (Wirkt auf die Schiene 12 eine Abhebewelle ein, so reduziert sich folglich die Kraft F₁ und die Kraft F₂ vergrößert sich) Der mögliche Stellweg für die Federn 20, 22, 24 ergibt sich demnach durch eine parallel zur Abszisse S verlaufende Gerade 26, die im vorliegenden Fall die Ordinate F bei einem Wert von 20 schneidet.

Wird in die Schiene 12 eine Schwingung durch ein Schienenfahrzeug eingeleitet, die sich im Bereich der Rippenplatte 10 als Abhebewelle bemerkbar macht, so kann die Zwischenlage 20 maximal um den Stellweg S₁ entspannt werden. Entsprechend müssen sich die Klemmfedern 22, 24 um den Stellweg S₁ zusammendrücken, so daß sich hieraus die Gesamtkennlinie C_GS ergibt, die nach Überschreiten des Stellweges S₁ in die Kennlinie C₂ übergeht. Die Kraft F, die auf die Zwischenlage 20 bei vollständiger Entspannung wirkt, ist 0. Zu diesem Zeitpunkt wirkt auf die Federn 22, 24 die Kraft F_GES, wie die Fig. 2 verdeutlicht.

Aufgrund der hohen Federsteifigkeit C₁ der Zwischenlage 20 weist das Gesamtfedersystem zunächst eine hohe Steifigkeit auf, die in eine geringe Steifigkeit mit der Folge übergeht, daß das Gesamtsystem aus Schiene 12 und Rippenplatte 10 - und damit einer Unterstützung wie Schwelle, von der die Rippenplatte 10 ausgeht - zunächst eine Einheit bildet. Hieraus resultiert, daß beim Auftreten der Abhebewelle die Schiene 12 zusammen mit der Unter stützung wie Schwelle abgehoben wird.

Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, daß die Federkennlinie der Zwischenlage 20 derart verändert wird, daß beim Einleiten einer Abhebewelle eine geringe Steifigkeit C₁ und beim Abtragen einer üblichen Achslast eine Steifigkeit C₃ derart wirksam werden, daß bei Redu zierung der Vorspannung in bezug auf die Zwischenlage 20, also einer der Vorspannkraft sich überlagernden und von der Rippenplatte 10 weggerichteten Kraft eine Entkopplung zur Rippenplatte 10 und damit der Unterstützung erfolgt. Wird dagegen eine Achslast übertragen, bildet sich eine quasi starre Einheit zwischen Schiene 12 und Rippenplatte 10 und damit Unterstützung aus, die eine Bewegung zwischen der Schiene 12 und der Rippenplatte 10 weitgehend ausschließt.

Die entsprechend geänderten Verhältnisse sind rein prinzipiell der Fig. 3 zu entnehmen. Man sieht, daß die Zwischenlage 20 in Abhängigkeit von der auf diese einwirkenden Kraft unterschiedliche Kennlinien C₁ und C₃ aufweist. Erfolgt eine Entlastung, also Veringerung der Vorspannkraft F₁ durch Einleiten einer Abhebewelle, so weist die Kennlinie C₁ eine kleinere Steilheit als bei Erhöhung der Kraft auf (Kennlinie C₃). Im Vergleich zum Stand der Technik ist die Steifigkeit C₁ bei Einleiten einer Abhebewelle geringer, so daß ein größerer Stellweg S₁ erforderlich ist, um die Zwischenlage 20 vollständig zu entspannen. Infolgedessen ergibt sich auch eine flacher verlaufende Gesamtsteifigkeit C_GS mit der Folge, daß die gewünschte Entkopplung zwischen der Rippenplatte 10 und der Schiene 12 auftritt.

Umgekehrt erhöht sich die Steifigkeit der Rippenplatte 20 bei Abtragen einer Achslast derart, daß diese mit der Rippenplatte 10 die gewünschte Einheit bildet. Der sich stark ändernde Verlauf der Steifigkeiten C₁ und C₃ ist sowohl der Fig. 3 als auch rein prinzipiell der Fig. 4 zu entnehmen. In dieser ist wiederum der Stellweg S₁ gegenüber der Kraft F aufgetragen. Man erkennt, daß die Zwischenlage 20 eine geknickte Kennlinie derart aufweist, daß die Steifigkeit C₁, die dann wirksam wird, wenn eine Abhebewelle auftritt, gering ist, vorzugs weise 6,5 kN/mm, wohingegen bei Abtragen einer üblichen Achslast von zum Beispiel 22,5 t eine hohe Steifigkeit C₃ vorzugsweise im Bereich < 200 kN/mm vorliegt. Losgelöst hiervon ist die Steifigkeit C₁ stets größer als die Steifigkeit C₂ der Klemmfedern 22, 24.

Damit die Zwischenlage 20 entsprechende Steifigkeiten C₁, C₃ zeigt, weist die Zwischenlage 20 vorzugsweise eine Geometrie auf, die den Fig. 5-8 zu entnehmen ist.

So weist die Zwischenlage 20 im Schnitt in etwa eine Zickzack-Struktur auf, die durch vom Boden 28 ausgehende Vertiefungen 30, 32 in Form von Rillen und oberseitig, also fußseitig verlaufende Erhebungen 34, 36 gebildet wird, die über ebenfalls rillenförmig verlaufende Vertiefungen 38, 40 getrennt sind.

Die rillenförmigen Aussparungen 30, 32 verlaufen versetzt zu den rillenförmigen Vertiefun gen 38 und 40, wobei die rillenförmigen Aussparungen 30, 32 in ihrer Längsrichtung betrachtet beabstandet zum Längsrand 42, 44 der Zwischenlage 20 enden. Die rillenförmigen Vertiefungen 38 und 40 gehen dagegen bündig in den jeweiligen Längsrand 42, 44 über. Die Erhebungen 34, 36 weisen plateauartige und parallel zur Bodenfläche 28 verlaufende Abschnitte 46, 48 auf. Ferner verdeutlicht die Fig. 7, daß die Vertiefungen 38, 40 mittig oberhalb von zwischen den Aussparungen 30, 32 verlaufenden Abschnitten 50, 52 der Bodenfläche angeordnet sind.

Die Vertiefungen 30, 32 und die Erhebungen 34, 36 sind jeweils von parallel zueinander verlaufenden Flanken 54, 56 bzw. 58, 60 begrenzt, die zur Bodenfläche, innerhalb der die Abschnitte 58, 52 verlaufen, einen Winkel α beschreiben, der vorzugsweise 30° beträgt. Dieser Wert gilt bei entspannter Zwischenlage 20.

Durch die vorgegebene Struktur weist die Zwischenlage 20 bei entlastender Krafteinleitung, also bei Auftreten einer Abhebewelle die gewünschte geringe Federsteifigkeit C₁ auf, wohingegen dann, wenn eine übliche Achslast abgetragen wird, die Zwischenlage 20 derart komprimiert wird, daß die Aussparungen 30, 32 und somit auch die zwischen den Erhebun gen 34, 36 verlaufenden Vertiefungen 38, 40 ausgefüllt werden. Folglich weist die Zwi schenlage 20 die Geometrie einer Platte mit rechteckförmigem Querschnitt auf. Hierdurch wird die erforderliche hohe Steifigkeit C₃ hervorgerufen, die sicherstellt, daß bei der Ab tragung der Achslast eine Relativbewegung zwischen der Schiene 12 und der Rippenplatte 10 nur im zulässigen Umfang erfolgen kann.

Bevorzugterweise weist die Zwischenlage 20 eine Dicke D im entspannten Zustand auf. Die Tiefe der Aussparungen 30, 32 beträgt T. Dabei sollte insbesondere T D 1/2 sein, also in etwa eine Geometrie zeigen, wie diese rein prinzipiell der Fig. 8 zu entnehmen ist. Auch sollten die Vertiefungen 30, 32 mit ihren Scheitelpunkten 62 in einer Ebene verlaufen, in der die Vertiefungen 38, 40 mit ihren Tiefpunkten 64 enden.

Claims

1. Anordnung zum Lagern einer Schiene (12) auf einer Abstützung wie Schwelle, umfassend ein die Schiene niederhaltendes erstes Federelement (22, 24) einer Steifig keit C₂ und ein vorzugsweise auf einer Unterlage wie Rippenplatte (10) angeordnetes die Schiene abstützendes zweites Federelement (20), wobei das erste und das zweite Federelement ein Gesamtfedersystem mit einer Kennlinie C_GS bilden, das mit einer Kraft (F₁, F₂) vorspannbar ist (Vorspannzustand), dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Federelement (20) eine Federkennlinie derart aufweist, daß im Vor spannzustand bei Reduzierung der Vorspannkraft (F₁) in bezug auf das zweite Feder element (20) diese eine Steifigkeit C₁ und bei Einleiten einer zusätzlichen zur Vor spannkraft (F₁) gleichgerichteten Kraft (F) das zweite Federelement eine Steifigkeit C₃ mit C₃ » C₁ aufweist, wobei die Steifigkeit C₁ derart ist, daß bei Einleiten einer Ab hebewelle in die Schiene eine Entkopplung oder weitgehende Entkopplung zwischen der Schiene und der Abstützung erfolgt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Abheben der Schiene (12) die Steifigkeit C₁ des zweiten Federelementes (20) in etwa C₁ 10 kN/mm, insbesondere C₁ 6,5 kN/mm beträgt.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steifigkeit C₃ des zweiten Federelementes (20) zumindest 10mal größer als die Steifigkeit C₁ bei auf die Schiene (12) oberhalb deren Unterstützung (10) ein wirkender üblicher Achslast eines Schienenfahrzeuges ist.

4. Anordnung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steifigkeit C₁ des zweiten Federelementes (20) bei einer üblichen Achslast von in etwa 22,5 t in etwa C₂ 200 kN/mm beträgt.

5. Anordnung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Federelement (20) eine zwischen Schienenfuß (14) und der Unterlage (10) angeordnete Zwischenlage (20) ist.

6. Anordnung nach zumindest Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenlage (20) eine Bodenfläche (28) mit von dieser ausgehenden Aus sparungen (30, 32) sowie fußseitige Erhebungen (34, 36) aufweist, wobei die Aus sparungen und die Erhebungen parallel zueinander verlaufende Flanken (54, 56, 58, 60) aufweisen.

7. Anordnung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Flanken (54, 56, 58, 60) zur Bodenfläche (28) hin einen Winkel α mit insbesondere 20° < α < 60°, insbesondere α = 30° im entspannten Zustand der Zwi schenlage (20) aufweisen.

8. Anordnung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhebungen (34, 36) in einer gemeinsamen Ebene verlaufende plateauartige Abschnitte (46, 48) aufweisen, die parallel zur Bodenfläche (28) der Zwischenlage (20) verlaufen.

9. Anordnung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussparungen (30, 32) durch Bodenflächenabschnitte (50, 52) getrennt zueinander beabstandet verlaufen.

10. Anordnung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei auf die Zwischenlage (20) einwirkender Achslast die Zwischenlage eine geschlossene Bodenfläche (28) aufweist.

11. Anordnung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenlage (20) im entspannten Zustand eine Dicke D und die jeweilige Aussparung eine Höhe H mit H 1/2D aufweist.

12. Anordnung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussparungen (30, 32) mit ihren Scheitelpunkten (62) in einer Ebene ver laufen, in oder nahezu in der die Erhebungen (34, 36) mit ihren Tiefpunkten (62) enden.

13. Anordnung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussparungen (30, 32) und/oder zwischen den Erhebungen (34, 36) verlaufen de Vertiefungen (38, 40) parallel zueinander verlaufende Rillen sind.

14. Anordnung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rillen der Aussparungen (30, 32) mittig zwischen den Rillen (38, 40) der Erhebungen (34, 36) verlaufen.

15. Anordnung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussparungen (30, 32) beabstandet zu Längsrändern (42, 44) der Unterlage (20) enden, die parallel zur Schienenlängsachse verlaufen.

16. Anordnung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen den Erhebungen (34, 36) verlaufenden Rillen (38) bündig oder nahezu bündig in die Längsränder (42, 44) der Zwischenlage (20) übergehen.

17. Anordnung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die rillenförmigen Aussparungen (30, 32) und die Erhebung (34, 36) senkrecht oder nahezu senkrecht zur Längsrichtung der Schienenlängsachse verlaufen.

18. Anordnung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steifigkeit C₃ der Zwischenlage dann unverändert oder weitgehend unver ändert bleibt, wenn die Flanken der Aussparungen (30, 32) bzw. der Erhebungen (34, 36) um x % verformt sind, wobei 10% < x < 50%, insbesondere 10% < x < 20%, insbesondere 13% < x < 15% ist.