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Die
Erfindung betrifft einen zweistufigen Puffer, der für eine Verwendung
an schweren Fahrzeugen, wie z. B. Eisenbahnlokomotiven, Straßenbahnen,
Schmalspurbahn-Wagen, Erzzügen
und bestimmten Erdbewegungsmaschinen verwendbar ist. Der Hauptanwendungszweck
von zweistufigen Puffern ist ein Aufprallschutz für Fahrzeuge,
die sich auf festen Fahrbahnen, insbesondere herkömmlichen
Schienen bewegen.
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Es
ist seit langem bekannt, Puffer vorzusehen, die statische und dynamische
Kraftabsorptions-Eigenschaften aufweisen, um den Aufprallschaden
zu minimieren, der aus mit geringer Geschwindigkeit erfolgenden Aufprallvorgängen bei
Schienenfahrzeugen entsteht.
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Zwei
bekannte Arten derartiger Puffer sind einstufige Hydraulikpuffer
und einstufige Ringfeder-Puffer.
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Es
ist auch bekannt, einstufige Polymer- und Gummi-Puffer vorzusehen.
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Die
verschiedenen Arten der erwähnten
einstufigen Puffer haben unterschiedliche Kraftabsorptions-Eigenschaften.
Ein gemeinsames Merkmal dieser Puffer ist jedoch, dass sie nur wirksam
sind, Aufprallvorgänge
von schweren Fahrzeugen bei Rangiergeschwindigkeiten zu absorbieren,
die typischerweise kleiner als 15 km/h sind.
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Es
treten jedoch viele Schienen-Aufprallvorgänge außerhalb von Bahnhöfen und
Rangierbereichen insbesondere dann auf, wenn die Züge und Lokomotiven über Weichen
fahren. An solchen Stellen können
die Aufprallgeschwindigkeiten zwischen zwei Schienenfahrzeugen 40
km/h erreichen, d. h. mehr als durch die Verwendung von hydraulischen
oder Ringfeder-Puffern alleine abgepuffert werden kann.
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Folglich
hat es viele Vorschläge
gegeben, zweistufige Puffer vorzusehen, die sekundäre Energie
absorbierende Elementen in Reihe mit primären absorbierenden Elementen
in der Form von bekannten hydraulischen oder Ringfeder-Puffern umfassen.
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Bei
der Spezifizierung solcher sekundärer Elemente ist es wichtig,
ein adäquates
Verhalten unter folgenden Gesichtspunkten sicherzustellen:
- i) Seitenaufprall-Vorgänge (die als schräge Aufprallvorgänge definiert
sind, die unter einem Winkel bezüglich
der Längsachse
einer Pufferbaueinheit auftreten). Seitenaufprall-Vorgänge treten üblicherweise
an Eisenbahn-Weichen auf. Und
- ii) die Anti-Hochstiegs-Merkmale des zweistufigen Puffers in
Verbindung mit einer Anti-Hochstiegstiegs-Vorrichtung, die im Bereich
des Schienenfahrzeug-Pufferträgers
befestigt ist.
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In
letzterer Hinsicht wird allgemein angenommen, dass Eisenbahn-Passagierwagons
mit Anti-Hochstiegs-Vorrichtungen im Falle eines Zusammenstosses
weniger Verletzungen und Todesfälle
bewirken. Es ist daher wichtig, dass jede Pufferkonstruktion die
Wirksamkeit der Anti-Hochstiegs-Vorrichtungen nicht vermindert.
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Die
folgenden Sekundärelemente
wurden für
eine Verwendung in zweistufigen Puffern vorgeschlagen:
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1. Der Abnutzungs-Kopfträger
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Dies
ist ein Kopfträger,
der aus verformbarem Material, der in der Nähe des Pufferträgers eines
Schienenfahrzeugs, Wagons oder Lokomotive befestigt ist. Der Abnutzungs-Kopfträger absorbiert
Aufprallenergie durch Verbiegen. Seine Energie-Absorbtionsfähigkeit
ist begrenzt und folglich sind sein Gewicht und seine Kosten hoch
im Vergleich zu seiner Effizienz.
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2. Kollabierendes
Rohr oder kollabierender Kasten
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Hierbei
handelt es sich im wesentlichen um ein zusammen quetschbares Element,
das in Reihe mit einem herkömmlichen
Pufferelement arbeitet.
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Die
Patentanmeldung FR-A-2775240 beschreibt einen zweistufigen Puffer,
der ein Pufferelement und ein verformbares Element umfaßt, die
in Reihe miteinander verbunden sind. Das Pufferelement steht in
Kraft übertragendem
Eingriff mit dem verformbaren Element. Kräfte, denen das Pufferelement
ausgesetzt wird und die nicht ausreichen, um eine plastische Verformung
des verformbaren Elements zu bewirken, werden vom Pufferelement
abgepuffert.
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Die
ein Kollabieren bewirkende Kraft in einer Aufprallsituation ist
nicht konsistent. Die internen Belastungen der kollabierenden Struktur
(d. h. des verformbaren Elements) ändern sich schnell von einer
Stauchung zu einer Ausbauchung. Dies bewirkt hohe Spitzenkräfte und
hohe negative Beschleunigungen.
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Es
ist auch inhärent,
dass tatsächlich
keinerlei Komponenten einer kollabierbaren Struktur nach einem Aufprall
erneut verwendet werden können.
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DE-A-19
12 049 beschreibt ein verformbares Element, das Aufprallenergie
dadurch absorbiert, dass ein erstes Rohr teleskopartig in ein zweites
Rohr hineinbewegt wird. Die Anordnung umfasst ein plastisch verformbares
hohles Rohr und ein verformendes Element.
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DE-A-19
12 049 beschreibt jedoch keine Möglichkeit,
wie die Anfangskraft (d. h. die Kraft, die benötigt wird, um eine plastische
Verformung des Verformungsrohres einzuleiten) genauer eingestellt
und kontrolliert werden kann.
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3. Hochgeschwindigkeits-Verformungs-
und Hochgeschwindigkeits-Bearbeitungselement
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Die
Patentanmeldung FR-A-2 789 358 beschreibt einen zweistufigen Puffer,
bei dem das sekundäre Pufferelement
in der Weise arbeitet, dass ein Hochgeschwindigkeits-Ausräumen eines
hohlen Rohres durch ein Bearbeitungswerkzeug erfolgt.
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Bei
einer solchen Anordnung ist die Anfangskraft des sekundären Elementes
unbekannt. Daher ist es erforderlich, eine weitere Abscherungskomponente
hinzuzufügen,
deren Abscherkraft bekannt ist.
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Dennoch
ist es bei der Anordnung der FR-A-2 789 358 schwierig, die Anfangskraft
zu steuern. Ebenso schwierig ist es, die Zusammenquetschkraft zu
kontrollieren; auch kann die Vorrichtung durch Ermüdung ausfallen.
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Gemäß einem
ersten Gesichtspunkt der Erfindung wird ein zweistufiger Puffer
geschaffen, wie er in Anspruch 1 definiert ist.
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Die
Verwendung von zwei wechselseitig in Eingriff stehenden, sich verjüngenden
Elementen zur Erzeugung einer plastischen Verformung eines der Elemente
schafft in dem zweistufigen Puffer ein Sekundärelement mit hoher Kapazität.
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Die
Anordnung ist insbesondere geeignet, Seitenaufprallvorgänge zu absorbieren,
die als schräge Aufprallvorgänge definiert
werden können,
die unter einem Winkel von bis zu 8° bezüglich der Längsachse des Puffers wirken
(obwohl natürlich
der Puffer gemäß der Erfindung
auch Seitenaufprallvorgänge
unter anderen Winkeln absorbiert.
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Der
zweistufige Puffer gemäß der Erfindung
kann bequemer weise so angeordnet werden, dass er jede beliebige
Länge besitzt,
in dem einfach die Abmessungen der verwendeten Komponenten entsprecht
gewählt
werden. Als Ergebnis ist es relativ einfach, einen zweistufigen
Puffer zu konstruieren, der im Betrieb das Arbeiten einer Anti-Hochstiegs-Vorrichtung nicht
stört,
die an einem Schienenfahrzeug befestigt ist.
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Auch
können
durch die Wahl der Abmessungen der Komponenten die Eigenschaften
des Puffers ohne weiteres verändert
werden. Beispielsweise kann die Wahl des Durchmessers des hohlen
Rohres und des darin befindlichen, verformenden Elementes zu Veränderungen
in Merkmalen des Puffers führen.
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Ein
weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Puffers besteht darin,
dass alle seine Komponenten mit Ausnahme des plastisch verformbaren
hohlen Rohres nach einem Aufprall erneut verwendet werden können.
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Der
Puffer kann auf einfache Weise zusammen- und auseinandergebaut werden,
wenn das hohle Rohr ausgetauscht werden muss.
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Es
ist auch bevorzugt, dass das Positionierelement mit dem verformenden
Element unter Druckeingriff steht.
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Obwohl
es möglich
ist, das hohle Rohr mit einem nicht kreisförmigen Querschnitt herzustellen,
verjüngt sich
das Rohr vorzugsweise in Längsrichtung
und besitzt einen kreisförmigen
Querschnitt; das verformende Element hat einen komplementären Außen-Querschnitt;
das Positionierelement umfasst einen Schlitzring, der Kraft übertragend
das verformende Element und das Rohr in der Nachbarschaft der Verjüngungen
miteinander verbindet.
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Diese
Merkmale positionieren in vorteilhafter Weise den Schlitzring gezielt
bezüglich
des plastisch verformbaren, hohlen Rohres; auch führen sie
zu einem Schrumpfpasssitz des Schlitzrings, wobei eine Drehung der
Pufferkomponenten relativ zueinander verhindert wird.
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Bei
den bevorzugten Ausführungsformen
gemäß der Erfindung
umfasst der Schlitzring mehrere Schlitze, doch arbeitet der Puffer
gemäß der Erfindung
auch dann, wenn der Schlitzring nur einen einzigen Schlitz besitzt.
Somit besteht eine Möglichkeit,
die im Rahmen der Erfindung liegt, darin, einen geteilten Ring statt
eines Schlitzringes zu verwenden. Die Hauptfunktion des oder der
Schlitze im Ring besteht darin, eine Veränderung des Durchmessers des
Rings zu ermöglichen.
Dies ermöglicht
seinerseits einen einfachen Einbau des Rings in das (doppelt) verjüngte Rohr.
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Die
Puffer-Anfangskraft (d. h. die Kraft, die benötigt wird, um eine plastische
Verformung des verformbaren Rohres zu initiieren) wird durch die
Geometrie der Verjüngung
des verformbaren hohlen Rohres gesteuert sowie durch die Dicke des
Materials des Rohres in diesem Bereich. Die Anfangskraft umfasst
auch eine Reibungskraft-Komponente, die sich aus der Schrumpfpassung
des Schlitzrings auf das verformende Element ergibt und wird dadurch
bestimmt, wie eng der Schlitzring durch Schrumpfung aufgepasst wird.
In jedem Fall ist aus einer Kenntnis der Verjüngungen und der Festigkeit
der Schrumpfpassung die Anfangskraft vorhersagbar.
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Es
ist auch wünschenswert,
dass sich das Äußere des
verformenden Elementes im wesentlichen parallel zu einer Verjüngung des
Inneren des Rohres verjüngt;
auch verjüngt
sich der Innen-Querschnitt des Schlitzrings in einer zur Außenverjüngung des
verformenden Elementes komplementären Weise.
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Dies
stellt sicher, dass der Schlitzring in wirksamer Weise Aufprallbelastungen
vom verformenden Element auf das verformbare Rohr überträgt.
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Auch
stellt die zuvor beschriebene Geometrie in vorteilhafter Weise sicher,
dass der Schlitzring in die Verjüngungen
des verformbaren Rohres und des verformenden Ele mentes hinein zusammengedrückt wird, wodurch
der Puffer Schubkräfte
aufnehmen kann.
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Herkömmlicherweise
umfasst das verformende Element einen weiteren hohlen Zylinder,
der ein offenes Ende besitzt, das durch eine Druckplatte verschlossen
ist, die einen Teil aufweist, der in das offene Ende eingesetzt
ist und in den verformbaren Rohr liegt, wobei die Druckplatte und
der weitere, hohle Zylinder aneinander durch eine anziehbare Befestigungsvorrichtung
befestigt sind, wobei ein Anziehen der Befestigungsvorrichtung eine
Erweiterung des Schlitzrings bewirkt, um den Berührungsdruck zwischen dem verformenden Element,
dem Schlitzring und dem verformbaren Rohr zu erhöhen.
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Die
Möglichkeit,
die Druckplatte in das Ende des weiteren, hohlen Zylinders hinein
festzuziehen, führt zu
einer bekannten Verformungs-Anfangskraft. Sie stellt auch die Positionierung
des Schlitzrings bezüglich des
plastisch verformbaren hohlen Rohres aufgrund des positiven Eingriffs
der wechselseitig divergenten Verjüngungen des oben beschriebenen
Schlitzringes mit den wechselseitig divergenten Verjüngungen
sicher, die in der Innenwand des plastisch verformbaren, hohlen
Rohres ausgebildet sind.
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Zusätzlich verhindert
die Schrumpfpassung des Schlitzrings auf das verformende Element
eine relative Drehung zwischen den Komponenten, wenn (wie in der
bevorzugten Ausführungsform)
das hohle Rohr und das verformende Element beide einen kreisförmigen Querschnitt
besitzen.
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Bei
einer Ausführungsform
der Erfindung ist ein Puffer gemäß dem allgemeinsten
Gesichtspunkt der Erfindung vorgesehen, bei dem das verformende
Element ein mit ihm in Eingriff stehendes Positionierelement umfaßt, das
auf das verformbare Element innerhalb des Rohres einwirkt; dabei
verengt sich die innere Verjüngung
des Rohres mit zunehmendem Abstand vom Pufferelement und das Äußere des
Positionierelementes umfaßt
besagte äußere Verjüngung; dabei
umfaßt
der Puffer an einer von der besagten äußeren Verjüngung entfernten Stelle wenigstens
zwei Oberflächen,
die an dem verformbaren Rohr bzw. dem verformenden Element ausgebildet
und in der Lage sind, Kräfte
zu übertragen,
die zwischen dem verformbaren Rohr und dem verformenden Element
in einer anderen Richtung als in der wirken, in welcher die äußere Verjüngung des
verformenden Elementes Kräfte
auf das verformbare Rohr überträgt.
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Diese
Anordnung kann auf einfache und kostengünstige Weise hergestellt werden,
da bei ihr kein Bedarf für
einen Schlitzring besteht. Das Positionierelement kann gewünschtenfalls
fest oder zumindest durchgehend sein.
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Vorzugsweise
stößt das Positionierelement
an das verformende Element so an, dass der Eingriff der äußeren Verjüngung des
Positionier-Elementes mit der inneren Verjüngung des Rohres das Positionierelement
gegen das verformende Element drückt.
Dies hält
in vorteilhafter Weise das Positionierelement relativ zum verformenden
Element fest. Für
eine zusätzliche
Stabilität
umfasst der Puffer jedoch vorzugsweise auch einen oder mehrere Pflöcke bzw.
Dübel (oder
eine funktional äquivalente
Anordnung), welche das verformende Element und das Positionierelement
miteinander verbinden.
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Obwohl
die Wirkung der inneren Verjüngung
des Rohres auf die äußere Verjüngung des
Positionier-Elementes letzteres relativ zum verformenden Element
zurückhält, besteht
bei Ausführungsformen
gemäß der Erfindung,
die die gegenseitig divergenten Verjüngungen weglassen, ein Bedarf,
das verformende Element als ganzes relativ zum hohlen Rohr festzuhalten.
Vorzugsweise wird dieser Bedarf dadurch erfüllt, dass das verformende Element
an einer vom Positionierelement entfernten Stelle eine erste Schulter
umfasst, die von der inneren Verjüngung des verformbaren Elementes
weg weist; weiterhin umfasst das verformende Element eine weitere
Schulter, die zur ersten Schulter weist, so dass die Übertragung
von Kräften
zwischen diesen Schultern das verformende Element innerhalb des
hohlen Rohres zurückhält.
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Es
ist auch bevorzugt, dass der Puffer ein Kraft übertragendes Element umfasst,
das in Kraft übertragender
Weise die erste und zweite Schulter miteinander verbindet. Diese
Anordnung führt
zu weiteren Vorteilen, wie noch erläutert wird.
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Bei
bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung wirkt das Pufferelement direkt auf das verformende
Element. Es ist jedoch im Rahmen der Erfindung auch möglich, eine
Anordnung auszubilden, bei der das Pufferelement auf das plastisch
verformbare, hohle Rohr einwirkt und es bewegt, das mit einem feststehenden verformenden
Element in Eingriff steht.
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Üblicherweise
umfasst das verformbare Element ein sich von ihm ausgehend erstreckendes
hohles Gehäuse,
welches das Pufferelement enthält
und zusammenwirkende Begrenzungselemente umfasst, die dazu dienen,
die Bewegung eines beweglichen Teils des Puffers in das hohle Gehäuse zu begrenzen.
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Dieses
Merkmal verhindert in vorteilhafter Weise während eines Aufpralls eine
Drehung des Pufferelementes und anderer Komponenten, die mit ihm
verbunden sind.
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Bei
einer Ausführungsform
der Erfindung ist das Gehäuse
integral mit dem verformenden Element ausgebildet.
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Bei
einer anderen Ausführungsform,
die von der zuvor beschriebenen Art ist, welche den Schlitzring weglässt, umfasst
das Kräfte übertragende
Element einen Ring, der zwei gegenseitig im Abstand angeordnete,
ringförmige
Anlageoberflächen
aufweist, die jeweils mit der ersten bzw. der zweiten Schulter in
Eingriff stehen, wobei sich ein hohler Zylinder von dem Ring außerhalb
des hohlen Rohres erstreckt, um das besagte hohle Gehäuse zu bilden.
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Die
Anordnung kombiniert in vorteilhafter Weise die Funktionen eines
Kraft übertragenden
Elementes und eines hohlen Führungsgehäuses in
einer einzigen Komponente.
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Bei
praktischen Ausführungsformen
der Erfindung ist an einem beweglichen Element des Puffers ein Pufferkopf
befestigt, um einen vollständigen,
zweistufigen Puffer zu ergeben.
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Es
ist noch günstiger,
wenn das Begrenzungselement einen Längskeil umfasst, der an dem
beweglichen Teil durch ein oder mehrere Befestigungsmittel befestigt
ist, und eine Keilnut, die in dem hohlen Gehäuse ausgebildet ist, und die
Bewegung des Längskeils
und somit des beweglichen Teils begrenzt, wobei die Begrenzungselemente
verhindern, dass sich der Pufferkopf und das Pufferelement voneinander
lösen.
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Folglich
sichert der Längskeil,
der sich in der Keilnut bewegt, auch den Pufferkopf relativ zum
Pufferelement in einer vorteilhaft kompakten Anordnung.
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Die
feste Platte und das hohle Gehäuse
sind in dem verformbaren Element gegen den hohlen Zylinder durch
einen Haltering gehalten, der an dem verformbaren Element durch
festziehbare Befestigungsmittel befestigt ist. Dies positioniert
die Druckplatte relativ zu dem plastisch verformbaren, hohlen Rohr
durch einen positiven Eingriff der äußeren Verjüngung der Druckplatte gegen
die innere Verjüngung
des verformbaren Elementes.
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Bei
allen Ausführungsformen
kann das Pufferelement wahlweise eines der folgenden Elemente umfassen
oder dieses Element sein: eine hydraulische Pufferkapsel, eine Ringfeder
oder ein Polymer- oder Gummipuffer. Die Prinzipien des zweistufigen
Puffers gemäß der Erfindung
sind unabhängig
von der genauen Art des gewählten
Pufferelementes wirksam.
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Es
folgt nun eine Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung, die nicht einschränkend zu
verstehende Ausführungsbeispiele
wiedergibt; in der Zeichnung zeigen:
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1 einen
Vertikalschnitt durch eine zweistufige Pufferanordnung gemäß der Erfindung,
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2 eine
Einzelheit des verformbaren Rohres und des verformenden Elementes,
die Teile der Anordnung aus 1 bilden,
wobei der Zustand wiedergegeben ist, in welchem die Befestigungsbolzen
der Baueinheit noch nicht festgezogen sind,
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3 ein
Kraft/Hub-Diagramm der Vorrichtung, wie sie in den 1 und 2 wiedergegeben
ist, und
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4 eine
teilweise geschnittene Ansicht einer anderen Ausführungsform
eines zweistufigen Puffers.
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In
den 1 und 2 ist ein zweistufiger Puffer 10 gemäß der Erfindung
dargestellt.
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Der
Puffer 10 umfasst ein Pufferelement in der Form einer an
sich bekannten, hydraulischen Pufferkapsel 12, deren Ende 12a mit
großem
Durchmesser sich in Reihe mit einem verformbaren Element 11 in
Kraft übertragender
Berührung
befindet, das die zweite Stufe des Puffers 10 bildet. Die
Komponenten des verformbaren Elementes 11 sind im Detail
in 2 dargestellt. Die Kapsel 12 bildet eine
erste Stufe (oder Primärelement)
des Puffers und das verformbare Element 11 die zweite Stufe
(oder das Sekundärelement).
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Die
Anordnung zwischen der hydraulischen Kapsel 12 und den
Komponenten des verformbaren Elementes 11 ist derart, dass
ein Aufprall, den die Kapsel 12 erfährt, auf das verformbare Element 11 mit
Hilfe der Berührung
des Endes 12a mit einer Komponente 24 (die im
folgenden noch genauer beschrieben wird) des verformbaren Elementes 11 übertragbar
ist, wie man am besten der 2 entnimmt.
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Das
verformbare Element 11 umfasst ein plastisch verformbares,
hohles, zylindrisches Rohr 14, das eine innere Verjüngung 13 aufweist.
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Die
Verjüngung 13 vermindert
den Durchmesser mit zunehmendem Abstand von der Kapsel 12.
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Ein
verformendes Element in Form eines weiteren hohlen Rohres 15 mit
einem im allgemeinen komplementären äußeren Querschnitt
zum Inneren des Rohres 14 ist in das am nächsten an
der Kapsel 12 liegende Ende des hohlen Rohres 14 eingesetzt.
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Das
verformende Element 15 hat eine äußere Verjüngung 20, die an ihrem
von der Kapsel 12 entfernten Ende angeordnet ist.
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Der
Winkel und die Richtung der Verjüngung 20 sind
im wesentlichen die gleichen wie der Winkel und die Richtung der
Verjüngung 13,
doch sind die Abmessungen der Verjüngung 20 derart, dass
sie es dem Element 15 ermöglichen, in der Verjüngung 13 zu
liegen.
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Jedenfalls
ist die Verjüngung
des verformenden Elementes 15 in der Lage, eine Kraft auf
die Verjüngung 13 des
verformbaren Zylinders 14 aufgrund des Vorhandenseins eines
Schlitzringes 16 zu übertragen, der
zwischen der Verjüngung 20 und
der Verjüngung 13 angeordnet
ist. Somit kann in der Praxis der Schlitzring als der operative
Teil des verformenden Elementes betrachtet werden, wobei das Rohr 15 (und
die unten beschriebene Druckplatte 18) so wirken, dass
sie den Schlitzring 16 tragen.
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Der
Schlitzring 16 ist bei der dargestellten Ausführungsform
ein Ring, der einen Querschnitt besitzt, der weiter unten noch genauer
beschrieben wird und den Raum zwischen den Verjüngungen 13 und 20 einnimmt.
Der Schlitzring besitzt wenigstens einen Schlitz, wie durch das
Bezugszeichen 16a angedeutet, wodurch sein Durchmesser
einstellbar ist. In anderen Worten: der Schlitzring 16 ist
elastisch verformbar, um das Zusammenbauen des Puffers 10 durch
eine Kompression des Ringes 16 zu ermöglichen, die es ihm erlaubt, sich
in das Rohr 14 hinein zu bewegen.
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In
der Praxis kann der Schlitzring 16 eine Vielzahl von Schlitzen
aufweisen, die vorzugsweise in gleichen Abständen um den Umfang des Ringes
herum angeordnet sind, der vom Schlitzring 16 gebildet
wird. Bei solchen Ausführungsformen
kann der Schlitzring von einem Ring mit diskreten Ringsegmenten
gebildet werden.
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Zusätzlich zur
Verjüngung 13,
deren Durchmesser sich mit zunehmendem Abstand von der Kapsel 12 verringert,
umfasst das Rohr 14 auch eine zweite Verjüngung 19,
die sich von der Verjüngung 13 zur
Kapsel 12 hin erstreckt.
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Der äußere Querschnitt
des Schlitzringes 16 umfasst in ähnlicher Weise wechselseitig
divergente, durchgehende Verjüngungen 21, 22,
die hinsichtlich Winkel und Richtung jeweils zu den Verjüngungen 13 und 19 des
plastisch verformbaren Rohres 14 komplementär sind.
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Der
innere Umfang des vom Schlitzring 16 gebildeten Rings umfasst
eine weitere Verjüngung 23 mit einer
im wesentlichen zur Verjüngung 20 komplementären Form,
die auf der Außenseite
des freien Endes des verformenden Elementes 15 vorgesehen
ist.
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Wegen
des Vorhandenseins der Verjüngungen 13, 19 und 20 und
der beschriebenen Form des Querschnitts des Schlitzringes 16 ist
der Schlitzring 16 in der Lage, Kräfte vom verformenden Element 15 auf
die Verjüngung 19 des
verformbaren Rohres 14 zu übertragen. Dies verhindert,
dass das Element 15 vom Rohr 14 abgezogen wird.
Somit ist der Schlitzring 16 positiv relativ zum Rohr 14,
sowohl in der Schub- als auch der Zugrichtung positioniert.
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Die
Verjüngung 19 dient
insbesondere dazu, den Pufferkopf unter den zuvor erwähnten seitlichen
Belastungen zu stützen.
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Der
Querschnitt des Rohres 14 zwischen der Verjüngung 19 und
der Mündung
des Rohres in der Nähe des
Puffers/Pufferkopfes ist eine Führungszone.
Da es wesentlich ist, für
das sich verformende Rohr ein duktiles Material zu verwenden, hat
dieser Querschnitt eine dicke Endwand, um einen Ausgleich für die niedrige Quetsch-
bzw. Streckgrenze des Materials zu schaffen und ausreichend Steifigkeit
zu liefern, wie dies für
den Führungseffekt
erforderlich ist. In einem vorbenutzten Zustand ist der Querschnitt
des Rohres 14 über
die Verjüngungen 19 und 13 nicht
kalt gehärtet.
Wenn das verformende Element arbeitet und anfängt zu stoßen, wird der verformte Bereich
kalt gehärtet.
Die Kalthärtung
unterstützt
die Führungswirkung.
Das Element muss jedoch in der Lage sein, beträchtlichen Seitenbelastungen
in einem Zustand zu widerstehen, in dem das verformende Element
noch nicht betätigt
worden ist, und hierzu dient der verdickte Wandteil.
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Mehr
im einzelnen ist bei dem verformenden Element 15 das freie
Ende in Nachbarschaft des Schlitzringes 16 als offenendiger,
hohler Zylinder ausgebildet, der durch eine Druckplatte 18 verschlossen
ist, die als parallelseitiger, hohler Zylinder ausgebildet ist,
der einen Umfangsflansch 18a an einem seiner Enden derart besitzt,
dass der Flansch 18a die Wand des verformenden Elementes 15 an
dessen freien Ende überlagert.
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An
einer von der Verjüngung 13 entfernten
Stelle und in Nachbarschaft des Endes 12a der Kapsel 12 ist
das verformende Element 15 als feste Platte ausgebildet,
die das hohle zylindrische Innere der verformenden Platte 24 überspannt.
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Die
Druckplatte 18 ist an wenigstens zwei Stellen perforiert,
wie dies durch die durchgehenden Öffnungen 26, 27 dargestellt
ist, die sich parallel zu der Längsachse
des verformenden Elementes 15 erstrecken.
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Die
Platte 24 ist durch weitere, mit einem Gewinde versehene Öffnungen 28, 29 perforiert,
die mit den entsprechenden Öffnungen 26, 27 ausgerichtet
sind. Eine Vielzahl von Schrauben 17 ist durch die Öffnungen 26, 27 eingeführt und
die Schrauben sind in die Öffnungen 28, 29 eingeschraubt,
um eine Rückhaltekraft
zu liefern, um die Druckplatte 18 festzuhalten, die in
das offene Ende des hohlen zylindrischen Teils des verformenden
Elementes 15 eingesetzt ist. Bei der bevorzugten Ausführungsform
sind zwölf
Schrauben 17 vorhanden, obwohl die genaue Zahl der Schrauben
für eine
Anpassung an Konstruktionserfordernisse verändert werden kann.
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Die
Schrauben 17 bilden eine festziehbare Befestigungsvorrichtung,
um die Druckplatte und die hohlen Zylinder, die einen Teil des verformenden
Elementes 15 bilden, aneinander zu befestigen.
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2 zeigt
den Zustand, in dem die Schrauben 17 nicht vollständig festgezogen
sind. In diesem Zustand befindet sich das freie Ende 20a des
verformenden Elementes 15 (in der Nachbarschaft der Verjüngung 20 im
Abstand vom Flansch 18a): Beim Festziehen der Schrauben 17 werden
das freie Ende 20a und der Flansch 18a in der
Richtung der Längsachse
des Puffers 10 stärker
zusammengezogen, was die Folge hat, das sich der Schlitzring 16 in
dem Raum zwischen den Verjüngungen 20 und 13 erweitert.
Als Folge hiervon wächst
der Berührungsdruck
zwischen der Verjüngung 20,
der Verjüngung 13 und
dem Schlitzring 16 derart, dass der Schlitzring in Schrumpfpassung
auf das Äußere des
Rohres 15 aufgebracht ist.
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Auf
diese Weise bewirkt das Festziehen der Schrauben 17 Längskräfte, die
hinsichtlich ihrer Größe ähnlich den
Kräften
sind, die während
der Verformung des Zylinders im Betrieb auftreten. Dies führt in vorteilhafter
Weise zu einer kontrollierten Anfangskraft, wenn die Vorrichtung
gemäß der Erfindung
verwendet wird, um einen Aufprall zu absorbieren.
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Diese
Anordnung ermöglicht,
in bequemer und einfacher Weise eine Voreinstellung der Anfangskraft des
Sekundär-Elementes
des Puffers 10, so dass das Sekundärelement 11 nur arbeitet,
wenn die auf den Puffer wirkende Aufprallkraft einen vorbestimmten
Wert überschreitet.
Die Anfangskraft wird sowohl durch die Kraft, die erforderlich ist,
um die plastische Verformung des Rohres 14 auszulösen, als
auch die Reibungskräfte
bestimmt, die sich aus der Schrumpfpassung des Schlitzringes 16 ergeben.
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Folglich
tritt der Nachteil, der bei vielen zweistufigen Puffern vorhanden
ist, die dem Stand der Technik entsprechen, dass nämlich die
Anfangskraft des Sekundär-Elementes
nicht bekannt ist, bei einem zweistufigen Puffer gemäß der Erfindung
nicht auf. Somit werden die Abscherelemente der Druckschrift FR-A-2
789 358 bei einem Puffer gemäß der Erfindung
nicht benötigt.
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Die
feste Platte 24 übt
eine Sekundärfunktion
dadurch aus, dass sie als Reaktionselement für das Ende 12a mit
großem
Durchmesser der hydraulischen Pufferkapsel 12 wirkt, die
direkt auf ihr aufliegt und folglich auf sie einwirkt.
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Bei
einer anderen Ausführungsform
(in der Zeichnung nicht dargestellt) könnte die Kapsel 12 anders herum
liegen, d. h. so, dass ihr Ende 12b mit dem kleineren Durchmesser
mit der Platte 24 in Eingriff steht.
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Der
hohle Zylinder, der das verformende Element 15 bildet,
erstreckt sich über
die feste Platte 24 hinaus als hohles, zylindrisches Gehäuse 32 (1),
das die Kapsel 12 umschließt.
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Das
Gehäuse 32 umfasst
zusammenwirkende Begrenzungselemente zum Begrenzen der Bewegung eines
beweglichen Teils des Puffers 10 in dem hohlen Gehäuse 32 in
Form eines Schlitzes 33, der sich längs eines Teils der Länge des
Gehäuses 32 in
Längsrichtung
erstreckt, um eine Keilnut zu bilden, sowie einen Längskeil 34,
der in verschieblicher Weise so begrenzt ist, dass er sich in Längsrichtung
im Schlitz 33 bewegt.
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Der
Längskeil 34 ist
durch weitere Schrauben 36 mit den zylindrischen Teilen
eines Pufferkopfes 37 verbunden, der einen an sich bekannten
Aufbau besitzen kann.
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In
herkömmlicher
Weise befindet sich der Teil 37a des Pufferkopfes 37,
der das Innere des hohlen, zylindrischen Teils beendet, in Kraft übertragendem
Eingriff mit dem freien Ende des Kolbens 12b der Kapsel 12.
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Hieraus
folgt, dass im Betrieb des Puffers 10 Aufprallkräfte, die
auf den Pufferkopf 37 einwirken, zunächst auf den Kolben 12b übertragen
werden, was zur Folge hat, dass die Kapsel 12 zusammengedrückt wird.
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Die
Wirkung der Tatsache, dass der Längskeil 34,
der am Pufferkopf 37 befestigt ist, im Schlitz 33 gleitet,
besteht darin, dass der Pufferkopf 37 daran gehindert wird,
sich bei einem Aufprall relativ zum Rest des Puffers 10 zu
drehen, und den Pufferkopf 37 daran zu hindern, vom Rest
der Komponenten getrennt zu werden. Dies stellt seinerseits sicher,
dass die Kapsel 12 in dem hohlen Teil des Kopfes 37 an
ihrem Platz gehalten wird.
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Bei
einer anderen Ausführungsform
der Erfindung, die in 4 dargestellt ist, umfasst das
verformende Element 15 einen hohlen Zylinder, der an beiden
Enden offen und in dem hohlen Inneren des Rohres 14 aufgenommen
ist. Das offene Ende 15a des verformenden Elementes 15,
das von der Kapsel 12 entfernt liegt, wird durch ein Positionierelement 51 verschlossen,
das als parallelseitiger, fester Zylinder ausgebildet ist, der an
seinem freien Ende eine Außenverjüngung 52 besitzt,
deren Durchmesser in Richtung von der Pufferkapsel 12 weg
abnimmt. Das Rohr 14 umfasst eine Innenverjüngung 53,
die zu der Außenverjüngung 52 eine
komplementäre
Form besitzt. Der Eingriff der Verjüngungen 52, 53 hat
die Tendenz, das Positionierelement 51 relativ zum verformenden
Element 15 festzuhalten. Zusätzlich sind das Positionierelement 51 und
das verformende Element 15 aneinander durch eine Vielzahl
von Zapfen bzw. Dübeln 43 befestigt,
die in miteinander ausgerichtete Bohrungen 54 eingesetzt
sind, die im Ende 15a des verformenden Elementes 15 bzw.
der benachbarten rückwärtigen Fläche des
Positionierelementes 51 ausgebildet sind. Die Bohrungen 54 erstrecken sich
parallel zur Längsachse
des verformenden Elementes 15.
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Der
Eingriff der jeweiligen Verjüngungen 52, 53 begrenzt
die Bewegung des Positionierelementes 51 und des verformenden
Elementes 15 weiter in das Rohr 14 hinein, bis
auf den Puffer 10 eine ausreichend große Kraft ausgeübt wird,
um eine Bewegung des verformenden Elementes 15 auszulösen.
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Andererseits
gibt es bei der Ausführungsform
gemäß 4 kein Äquivalent
zu der umgekehrten Verjüngung 19 der
Ausführungsform
in den 1 und 2, die ein Herausziehen des
verformenden Elementes aus dem Rohr 14 verhindert.
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Diese
Funktion wird stattdessen bei der Ausführungsform gemäß 4 mit
Hilfe von zwei wechselseitig nebeneinander angeordneten Oberflächen 56, 57 ausgeübt, die über ein
Kraft übertragendes
Element 58 in Berührung
stehen, um Kräfte
zu übertragen,
die zwischen dem Rohr 14 und dem verformenden Element 15 in
einer Richtung wirken, die von der Richtung verschieden ist, in
der die Verjüngungen 52, 53 Kräfte übertragen,
und die die Tendenz besitzen, das verformende Element 15 aus
dem Rohr 14 herauszuziehen.
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Die
Oberfläche 56 ist
in dem Ende des Elementes 15, das von der Verjüngung 52 entfernt
liegt, als ringförmige
Schulter ausgebildet, die sich aus dem Vorhandensein eines Endteils 15b des
Elementes 15 mit vermindertem Durchmesser ergibt. In Folge
hiervon weist die Oberfläche 56 auf
die Kapsel 12 zu. Unmittelbar neben der Oberfläche 57 ist
ein sich radial nach hinten erstreckender Flanschring 59 ausgebildet,
der an dem offenen Ende des Rohres 14 (in dem das Element 15 aufgenommen
ist) durch eine Reihe von Befestigungsmitteln, wie z. B. die Schrauben 61 befestigt
ist, von denen wiedergegeben ist, dass sie in zugehörige Bohrungen
eingeschraubt sind; die Befestigung kann auch durch äquivalente
Mittel erfolgen.
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Ein
Kraft übertragendes
Element in der Form eines hohlen Zylinders 58 verbindet
die Oberflächen 56, 57,
um so die oben erwähnten
Kräfte
zwischen diesen zu übertragen.
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Der
Zylinder 58 hat ein freies Ende, das mit der Oberfläche 56 in
Eingriff steht, und eine aufstehende Schulter 58a, die
mit der Oberfläche 57 in
Eingriff steht.
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Radial
innerhalb ihres Eingriffs mit der Oberfläche 57 endet die Schulter 58a in
einer Zylinderwand, die einen kleineren Durchmesser als der Zylinder 58 besitzt.
Diese Wand steht aus dem Rohr 14 nach aussen hervor, um
ein Gehäuse 52 zu
bilden, das funktional ähnlich
dem in 1 sichtbaren Gehäuse 32 ist.
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Die
Durchmesser der verschiedenen zylindrischen Komponenten in der Nachbarschaft
der Oberflächen 56, 57 und
des Flanschrings 59 sind derart, dass ein Zurückhalten
des Zylinders 58 und des verformenden Elementes 15 in
dem Rohr 14 bewirkt wird, während eine Bewegung des verformenden
Elementes 15 längs
des Rohres 14 dann ermöglicht
wird, wenn dies erforderlich ist.
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An
einer von der Verjüngung 52 entfernt
liegenden Stelle und benachbart zum Ende 12a der Kapsel 12 ist
das verformende Element 15 durch eine feste Platte 24 verschlossen.
Die feste Platte 24 wirkt als Reaktionselement für das einen
größeren Durchmesser
besitzende Ende 12a der hydraulischen Pufferkapsel 12, das
direkt an ihr anliegt und folglich auf sie einwirkt.
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Bei
einer (in der Zeichnung nicht dargestellten) alternativen Anordnung
liegt die Kapsel 12 anders herum, so dass ihr Ende 12b mit
kleinerem Durchmesser mit der Platte 24 in Eingriff steht.
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Der
Flanschring 59 bildet eine festziehbare Befestigungseinrichtung
zum Befestigen des hohlen Zylinders 58, der festen Platte 24 und
des verformenden Elementes 15 im Rohr 24. Diese
Anordnung verhindert, dass das verformende Element 15 aus
dem Rohr 14 herausgezogen wird. Somit ist das Positionierelement 51 relativ
zum Rohr 14 sowohl in der Schub- als auch der Zugrichtung
definitiv positioniert.
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Das
Gehäuse 32 umschließt die Kapsel 12.
Das Gehäuse 32 erstreckt
sich in einer Richtung parallel zum verformbaren Element 15 zum
Pufferkopf 37 hin.
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Wenn
im Betrieb einer jeden Ausführungsform
der Erfindung eine Aufprallkraft, die auf den Puffer einwirkt, kleiner
ist als ein vorgegebener Schwellenwert, so besteht ihre Wirkung
lediglich darin, die Kapsel 12 in einer an sich bekannten
Weise zusammenzudrücken,
wobei der Pufferkopf 37 weiter in das Gehäuse 32 hineingleitet.
Eine typische Kapsel 12 umfasst eine Hydraulikanordnung,
die die Aufprallenergie entsprechend einer bekannten Kraft-Hub-Kurve
dämpft.
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Die
hydraulische Kapsel 12 enthält auch typischerweise einen
Energiekonverter in Form eines Volumens eines zusammendrückbaren
Gases, der die Kapsel 12 nach dem Auftreten eines Aufpralls
auf ihre vorherige Länge
zurückbringt.
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Die
Widerstandskraft der hydraulischen Pufferkapsel 12 hängt von
den inneren statischen Kräften
ab, die durch die Gasaufblasung des Puffers sowie das zusätzliche
dynamische Element eines Öls
gesteuert werden, das durch eine Öffnung gedrückt wird.
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Bei
hohen Aufprallgeschwindigkeiten steigt die Kraft über die
plastische Verformungsschwelle des verformbaren Elementes 14 an.
In dieser Situation bewegt sich das verformbare Element 14 mit
einer solchen Geschwindigkeit, dass die effektive Geschwindigkeit
des Tauchkolbens relativ zum Zylinder eine Last von beispielsweise
1.200 kN über
den hydraulischen Puffer erzeugen würde. Es ist somit wahrscheinlich,
dass die hydraulische und die Verformungsstufe des Puffers gleichzeitig
arbeiten.
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Aufgrund
der starken Konstruktion des verformenden Elementes 15 werden
Aufprallkräfte,
die auf die feste Platte 24 einwirken, über die Verjüngung 20 und
den Schlitzring 16 (bei der Ausführungsform gemäß 1)
oder das Element 51 (bei der Ausführungsform in 4)
auf die Verjüngung 13 oder
die Verjüngung 53 (in
entsprechender Weise) des verformbaren Rohres 14 übertragen.
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Wenn
die Aufprallkraft ausreicht, um die oben erwähnte Anfangskraft der verformbaren
Stufe des Puffers 10 zu übersteigen, bewegt sich das
verformende Element 15 längs des verformbaren Rohres 14 und
bearbeitet in wirksamer Weise dessen Wände im Bereich der in den 1 und 2 rechts
von der Verjüngung 13 liegt,
was zur Folge hat, dass sich die Verjüngung 13 längs des
Abschnittes des Rohres 14 „bewegt".
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Diese
Verformung des Rohres absorbiert die Aufprallenergie in einer konsistenten
und vorhersagbaren Weise, wie sich aus der 3 ergibt,
welche ein Diagramm der dynamischen Aufprallkraft gegen den Hub des
verformenden Elementes 15 in dem verformbaren Rohr 14 der
Ausführungsform
gemäß 1 wiedergibt.
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In
der Praxis führt
die Konstruktion des verformbaren Elementes 11 zu einer
Spitzenkraft-Komponente 41,
die größer ist
als die Anfangskraft 39, die erforderlich ist, um eine
plastische Verformung am Beginn des Hubes auszulösen.
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Folglich
umfasst der Puffer 10 gemäß der Erfindung eine inhärente Sicherstellung,
dass eine plastische Verformung des Rohres 14 nicht beginnt,
es sei denn, dass die Aufprallkraft einen vorbestimmten Grenzwert übersteigt,
der bei der in 3 dargestellten Ausführungsform
ungefähr
1400 kN beträgt.
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Sobald
die plastische Verformung des Rohres 14 beginnt, wie dies
durch den Bereich 42 von 3 dargestellt
wird, ist der konstante Kraftverlauf des Sekundärelementes 11 des
Puffers im wesentlichen eine gerade, horizontale Linie, wodurch
die Fläche
unter der gezeichneten Linie von 3 maximalisiert
wird. Daraus folgt, dass die Energieabsorption des Sekundärelementes 11 ebenfalls
maximal ist.
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3 zeigt
das Diagramm einer dynamischen Kraftkomponente. Ähnliche Ergebnisse können natürlich auch
für eine
statische Kraft aufgezeichnet werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist die statische Kraft typischerweise 5% höher als
die dynamische (Aufprall-)Kraft.
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3 zeigt
die Kraft/Hub-Kennlinie eines Puffers 10 gemäß der Erfindung,
bei dem die konstante Kraft (die durch den Teil 42 des
Diagramms dargestellt wird) konstruktionsgemäß auf 1200 kN festgelegt ist.
Natürlich
können
durch entsprechende Wahl der Abmessungen und der Materialien der
Bestandteile, die das sekundäre
Element bilden, Puffer mit einer anderen nominalen Konstantkraft
erzeugt werden.
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Wie
erwähnt,
ist der Puffer gemäß der Erfindung
außerordentlich
wirksam beim Abpuffern von Seitenbelastungen, die schräg auf den
Pufferkopf unter Winkeln bis zu 8° bezüglich der
Längsachse
des Puffers ausgeübt
werden.
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Die
folgende Tabelle zeigt die Ergebnisse von Versuchen, welche das
Anlegen von Seitenbelastungen an einem Puffer 10 betreffen,
dessen nominelle Konstantkraft des sekundären Elementes 11 1200
kN betrug.
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Obwohl
die hier beschriebene Ausführungsform
die dargestellte hydraulische Kapsel 12 umfasst, kann das
primäre
Pufferelement natürlich
durch andere Energie absorbierende Vorrichtungen ersetzt werden,
zu denen auch Ringfedern gehören,
ohne hierauf beschränkt
zu sein.
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Bei
der in den 1 und 2 gezeigten
Ausführungsform
stellt die Materialauswahl für
den Schlitzring 16 und das verformbare Rohr 14 die
richtige Konstantkraft 42 sicher. Bei den bevorzugten Ausführungsformen
ist der Schlitzring 16 aus gehärtetem Stahl BS 970 708 M 40
T-Bedingung (minimale Härte
266 VH) hergestellt, um sicherzustellen, dass er sich nicht verformt,
wenn er das Rohr 14 verformt. Natürlich kann der Schlitzring 16 auch
aus anderen Materialien bekannter Härte hergestellt werden.
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Das
Rohr 14 ist aus einem angelassenen, kalt gezogenen Stahlrohr
hergestellt.
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Das
verformende Element 15 kann beispielsweise aus einem allgemeinen
Baustahl (wie z. B. BSEN10025:1993:S355J2G3) hergestellt werden,
der normalisiert wird, um eine sichere plastische Verformung zu
ermöglichen.
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Die
Auswahl von Legierungen für
den Schlitzring 16 und das Rohr 14 minimiert in
vorteilhafter Weise die Gefahr eines Verschweißens des Schlitzrings 16 mit
dem Rohr 14 während
des Arbeitens des Sekundärelementes 11,
was die Erzeugung der im wesentlichen flachen Kurve in Teil 42 von 3 unterstützt.
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Ein
weiterer Vorteil der Vorrichtung aus den 1 und 2 besteht
darin, dass der Schlitzring 16 während seines Arbeitens beim
Absorbieren von Aufprallenergie eine örtliche Härtung des Rohres 14 bewirkt. Da
die Bewegungsrichtung des Schlitzringes 16 im Rohr 14 parallel
zur Längsachse
des Rohres 14 ist, keilt diese Härtung den Schlitzring 16 in
wirksamer Weise im Rohr 14 ein und verhindert weiterhin
eine Drehung des verformenden Elementes 15 relativ zum
Rohr 14 während
des Arbeitens des Sekundärelementes 11.
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Ein
weiterer Vorteil ergibt sich aus dem Vorhandensein der umgekehrten
Verjüngung 19,
die einen Formschluss des Schlitzrings 16 und des verformenden
Elementes 15 (vermit tels der Reaktion des Flansches 18a gegen
den Schlitzring 16) relativ zum Rohr 14 herstellt.
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Da
die Kraftmerkmale des Puffers 10 genau steuerbar sind (wie
durch die graphische Darstellung der 3 bewiesen
wird), arbeitet der Puffer derart, dass er eine Anti-Hochstiegsvorrichtung
nicht stört,
die beispielsweise an einem Schienenfahrzeug befestigt sein kann.
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Weiterhin
sei hier darauf hingewiesen, dass die Länge des Rohres 14 vom
Puffer-Konstrukteur beliebig gewählt
werden kann. Beispielsweise kann eine Einheit, die an einem Lokomotiven-Pufferträger montiert werden
soll, einen maximalen Hub (d. h. eine effektive Länge des
Rohres 14) von 600 mm haben, während sie für einen Eisenbahnwagon einen
maximalen Hub von 150 mm haben kann. Die Wahl der Länge des
Rohres 14 ermöglicht
auch die Herstellung einer Vorrichtung, die ein minimales Risiko
aufweist, eine Anti-Hochstiegsvorrichtung
zu behindern.
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Bei
der Ausführungsform
der 4 liegen zwei Keilnuten (die in der Zeichnung
nicht sichtbar sind) einander direkt auf der äußeren Oberfläche des
Positionierelementes 51 gegenüber. Wenn ein Aufprall erfolgt, keilen
sich die Längskeile
selbst auf dem verformbaren Element fest. Dieser Effekt verhindert
zusätzlich
eine Drehung des verformenden Elementes 15 relativ zum
Rohr 14 während
des Arbeitens des Sekundärelementes 11.