[0001] Die Erfindung betrifft eine Schiene für ein spurgeführtes Fahrzeug, insbesondere
Eisenbahnschiene, und ein Gleis für ein spurgeführtes Fahrzeug, insbesondere Eisenbahn,
mit derartigen Schienen. Insbesondere hat die Erfindung ein spezielles Profil des
Schienensteges einer Schiene für ein spurgeführtes Fahrzeug zum Gegenstand, das zu
einem gegenüber Schienen mit herkömmlichem Schienenprofil-reduzierten, abgestrahlten
Luftschallpegel führt.
[0002] Fahrschienen aus Stahl haben in Verbindung mit Schwellen und einem entsprechenden
Unterbau die Grundlage gebracht, einen spurgeführten Verkehr, das heißt den Transport
von Personen und Lasten, in wirtschaftlicher Weise zu ermöglichen.
[0003] Fahrschienen sind profilierte gewalzte Stahlstränge in unterschiedlichen Profilquerschnitten.
Sie werden gebildet aus Schienenkopf, Schienensteg und Schienenfuß. Die Produktion
erfolgt in Walztechnik.
[0004] Die Schienen dienen als Spurführung des Rollgutes und zur Lastübertragung der durch
die Räder übertragenden Kräfte aus Auflast und Geschwindigkeit.
[0005] Diese Lasteinleitung erfolgt über die Kontaktfläche zwischen Radaufstandspunkt und
Schienenkopf.
[0006] Beim Bewegen dieses Radaufstandspunktes treten infolge der Dynamik Schwingungen auf.
Diese Schwingungen sind
- als Schienenkopfschwingungen,
- als Schienenstegschwingungen
- und als Schienenfußschwingungen
bekannt. Durch die Schwingungen entsteht Luft- und Körperschall.
Die Berührungsfläche von Rad und Schiene ist die Hauptquelle für die Lärmabstrahlung.
In dieser Koppelstelle der Schwingungssysteme des Gleises und der Fahrzeuge werden
die Schwingungen erzeugt, die als Körperschall in die Schiene und in das Rad übertragen
und von dort weitergeleitet und/oder als Luftschall abgestrahlt werden.
Durch die fortschreitende Entwicklung der Eisenbahnen werden immer höhere Geschwindigkeiten
und größere Verkehrslasten eingefordert.
Als Folge wurden die Schienenprofile immer schwerer und höher, Als gebräuchlichste
Schienenform wird in Deutschland heute die Profile S 49, S 54 und UIC 60 eingesetzt.
Durch größere Höhe der Schienenprofile, was für eine Erhöhung der zu transportierenden
Lasten vorteilhaft ist, neigen die Schienenprofile zu stärkerer Vibration als niedrige,
Deshalb sind die heute von Zügen erzeugten Geräusche lauter als früher. Außerdem bildet
die glatte größere Steghöhe eine schallharte, beidseitige Reflexionsfläche, und zwar
direkt am Entstehungspunkt des Luftschalls.
Von großem Nachteil ist außerdem, dass sich die Torsions-Biegespannungen rhythmisch
von Auflager zu Auflager fortsetzen. Die Befestigung der Schiene ist hierbei direkt
auf dem Auflager angeordnet und unterbindet die rhythmische Fortsetzung kaum.
Besser ist es, auf jeder Schwelle ein Doppelauflager anzuordnen und die Befestigung
zwischen die Auflager zu positionieren.
Trotz höchster Maßgenauigkeit bei der Herstellung der Schienen und bester Tragoder
Fahrflächengüte treten beim Befahren mit Zügen Abrollschwingungen und somit Luftschallabstrahlungen
auf, die insbesondere bei hohen Transportgeschwindigkeiten eine große Intensität aufweisen
und eine erhebliche Umweltbelastung darstellen.
Die Fahrgeräusche von Zügen werden zu einem erheblichen Anteil durch von den Schienen
abgestrahlten Luftschall verursacht.
Aus DE-A-10215255, DE-A-3824577 und EP-B-1186710 ist es bekannt, eine Schallisolierung an den Schienenoberflächen durch Anbauteile
an den Schienen zu erreichen.
Diese bisher vorgeschlagenen Konstruktionen zur Reduzierung des abgestrahlten Luftschalls
der Schienen haben aber den Nachteil, dass sie wenig wirkungsvoll oder sehr aufwändig
sind.
Nach der Gleismontage an der Schiene anzubauenden Konstruktionsteile sind mit sehr
viel Zeit und Kostenaufwand verbunden. Bei einem vollflächigen belegen des Schienensteges
ist außerdem die visuelle Begutachtung des Schienenzustandes beeinträchtigt.
Aus EP-A-0758033 und DE-C-1952893 ist es bekannt, an den Seitenflächen des Schienensteges einer Eisenbahnschiene Vorwölbungen
in Form von Rippen vorzusehen, die im Querschnitt durch den Schienensteg betrachtet
eine im Wesentlichen sinusförmige Ausgestaltung aufweisen, wobei sich jeweils zwei
dieser Rippen in gleicher Höhe auf beiden Seiten des Schienensteges befinden. Diese
Rippen sollen die Abgabe von Luftschall sowie die Erzeugung von Körperschall reduzieren.
Aufgrund von ersten Überlegungen hat sich aber gezeigt, dass diese Rippenformen noch
nicht optimal für eine effektive Unterdrückung der Luft- und Körperschallentstehung
sind.
Der Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, die Schwingung der Schiene beim
Befahren, insbesondere mit hohen Transportgeschwindigkeiten, derart zu verringen bzw.
zu beeinflussen, dass der abgestrahlte Luftschallgesamtpegel verkleinert und die Lärmbelastung
der Umwelt vermindert wird.
Eines der erfindungsgemäßen Ziele liegt somit insbesondere darin, die luftschallerzeugenden
Schwingungen des Körpers bzw. der Schienen selbst zu reduzieren und dadurch auf einfache
Weise eine Schallabstrahlung und damit die Umweltbelastung zu entlasten.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung eine Schiene für ein spurgeführtes
Fahrzeug, insbesondere Eisenbahnschiene, vorgeschlagen, die versehen ist mit
- einem Schienenfuß,
- einem von diesem aufragenden, zwei gegenüberliegende Seiten aufweisenden Schienensteg
und
- einem Schienenkopf an dem dem Schienenfuß abgewandten Ende des Schienensteges,
- wobei der Schienensteg an mindestens einer seiner Seiten eine im Wesentlichen tropfen-
bzw. eiförmige Vorwölbung mit einem Scheitelpunkt aufweist, der außerhalb einer bezogen
auf die Erstreckung der Vorwölbung zwischen Schienenfuß und Schienensteg verlaufenden
Mittelsenkrechten liegt.
[0007] Mit der Erfindung wird also vorgeschlagen, an dem Schienensteg zumindest einseitig
eine tropfen- bzw. eiförmige Vorwölbung vorzusehen, die im Profil, d.h. im Querschnitt
des Schienensteges betrachtet, auch als halbtropfen- bzw. halbeiförmig bezeichnet
werden kann. Wesensmerkmal dieser Vorwölbungsform, die sich selbstverständlich über
die gesamte Länge der Schiene erstreckt, ist, dass sie durch unterschiedlich steile
Flanken beschrieben werden kann, so dass ihr Scheitelpunkt (bzw. ihre Scheitellinie
parallel zur Schienenerstreckung) außermittig angeordnet ist. Mit "außermittig" ist
gemeint, dass der Scheitelpunkt außerhalb einer Mittelsenkrechten verläuft, die rechtwinklig
auf der mit der Vorwölbung versehenen Seite des Schienensteges verläuft und bezogen
auf den Beginn und das Ende der Vorwölbung (in Erstreckung des Schienensteges zwischen
Schienenkopf und Schienenfuß betrachtet) mittig angeordnet ist.
[0008] Insbesondere ist es zweckmäßig, wenn auf mindestens einer der Seiten des Schienensteges
zwei derartige Vorwölbungen mit Abstand zu einander angeordnet sind, wobei es ferner
von Vorteil sein kann, wenn auf Lücke dieser beiden Vorwölbungen auf der anderen Seite
des Schienensteges eine weitere tropfen- bzw. eiförmige Vorwölbung vorgesehen ist.
[0009] Es ist auch möglich, dass beide Seiten des Schienensteges jeweils mit einer Vorwölbung
versehen sind, wobei die beiden Vorwölbungen auf gleicher Höhe (Abstand zum Schienenfuß)
oder höhenversetzt zu einander angeordnet sind.
[0010] Mit anderen Worten wird also mit der Erfindung vorgeschlagen, die Vorwölbung bzw.
Vorwölbungen am Schienensteg einer Schiene nicht zu einer Symmetrieachse symmetrisch
auszubilden, wobei diese Symmetrieachse quer zur Erstreckung der Schiene und senkrecht
zu den Seiten des Schienensteges verläuft. Hierbei ist es grundsätzlich möglich, dass
der sich aus der Asymmetrie ergebende Versatz des Scheitelpunktes der Vorwölbung relativ
zur oben genannten Mittelachse entweder auf der dem Schienenkopf zugewandten Seite
der Mittelachse oder auf der dem Schienenfuß zugewandten Seite der Mittelachse angeordnet
ist. Mit anderen Worte kann also der Tropfen bzw. das Ei "auf dem Kopf stehend" am
Schienensteg angeordnet sein oder aber mit seiner dickeren Ausformung dem Schienenfuß
zugewandt sein.
[0011] Wie sich durch Überlegungen herausgestellt hat, ist die Verwendung zweier erfindungsgemäßer
Schienen als Gleis für ein spurgeführtes Fahrzeug, insbesondere einer Eisenbahn, dann
von Vorteil, wenn die Schienenstege der beiden Schienen einander zugewandte Innenseiten
und einander abgewandte Außenseiten aufweisen auf denen jeweils mindestens eine im
Wesentlichen tropfen- bzw. eiförmige Vorwölbung ausgebildet ist, wobei die Ausbildung
und Anzahl der im Wesentlichen tropfenförmigen bzw. eiförmigen Verwölbung auf den
Außenseiten der Schienenstege der beiden Schienen bezogen auf eine zur Erstreckung
der Schienenstege parallelen sowie zwischen den Schienen verlaufenden Mittelachse
im Wesentlichen symmetrisch bzw. gleich ist.
[0012] Zweckmäßig hierbei ist es ferner, wenn die Innenseiten der Schienenstege der beiden
Schienen ebenfalls im Wesentlichen tropfen- bzw. eiförmige Vorwölbungen vorweisen.
[0013] Der ggf. hohe Steg der Schiene wirkt bei dynamischer Anregung wie eine Membran. Durch
die neue besondere Formveränderung des Schienensteges wird dieser Körperschallpegel
im Bereich des Schienensteges, aber auch mit Auswirkungen auf den Schienenkopf und
den Schienenfuß, reduziert werden.
[0014] Bei der neuen Gestaltung des Schienensteges bietet sich eine Vielzahl von Möglichkeiten
an, die auch bei den zu ändernden Walzrollen einfach zu realisieren sind. Mehrkosten
nach dem Einbau der Schienen und in der späteren Unterhaltung sind nicht zu erwarten.
[0015] Die Möglichkeiten, eine Veränderung der bisher glatten Schienenstegflächen durch
(halb-) tropfen- bzw. (halb-) eiförmige Vorwölbungen vorzunehmen, sind vielzählig.
[0016] Hierbei lässt sich eine bestimmte, gewünschte Dämpfungsrate durch unterschiedliche
Anordnung der schwingungstechnischen Knoten erreichen.
[0017] Diese in unterschiedlichen Höhen des Schienensteges angeordneten Vorwölbungen können
durch unterschiedliche Formgebung dargestellt werden.
[0018] Diese Vorgehensweise ist mit der Veränderung der Saitenlänge = Schwinglänge bei einem
Musikinstrument vergleichbar.
[0019] Bei den unterschiedlichen Seitenflankenausbildungen der Schienenstege lassen sich
die Formgebungen Ausführung I oder II, wenn gewünscht, zur Gleisinnen- und/ oder der
Gleisaußenseite zuordnen.
[0020] Die gesamte abgestrahlte Schallleistung einer zur Schwingung angeregten Schiene ist
das Produkt zwischen Strahlungsgrad (Strahlungseffizienz) der Schiene und dem Quadrat
der über den Strahlungsbereich summierten Geschwindigkeitsamplitude.
[0021] Wenn davon ausgegangen wird, dass sowohl die vertikalen als auch die lateralen Schallwellen
in der Schiene vom Erregungspunkt (Rad/Schiene-Kontaktpunkt) ausgelöst werden, so
können diese Schallwellen durch die unterschiedliche Anordnung von Knoten in gewünschter,
geplanter Form beeinflusst und damit gedämpft werden.
[0022] Inwieweit die durch Torsions-Biegespannungen ausgelösten Schienenschwingungen bei
der Entwicklung von Schienenriffeln (kurzwellige Fehler (Dellen) auf der Schienenoberfläche
von im allgemeinen 3-6 cm bei einer Tiefe von 0,1-0,4 mm) beteiligt sind, ist bis
heute nicht endgültig geklärt.
[0023] Bekannt ist, dass bei Gleiskonstruktionen mit Doppellauflager auf einem Stützpunkt
und dazwischen angeordneter Schienenbefestigung bis heute keine Riffelbildung bekannt
ist. Da bei der Doppelauflager-Konstruktion auch eine Schwingungsbeeinflussung (Dämpfung)
erreicht wird, ist wegen der mit der erfindungsgemäßen Ausbildung des Schienensteges
durch Schwingknoten in Form der speziellen Vorwölbungen einhergehenden Beeinflussung
der Schwinglinie an der Kontaktfläche Schienenkopf / Rad ebenfalls eine Riffelbildungsreduktion
zu erwarten. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Vorwölbungen wird also in Folge
der Schwingungsreduktion auch die Gefahr einer Riffelbildung reduziert.
[0024] Eine geringere Schienenschwingung bedeutet ferner auch geringere Belastungen der
Schienenbefestigungen. Gelockerte Schraubverbindungen bringen einen erhöhten Verschleiß
der Schraubverbindung selbst, sowie auch der elastischen und starren Elemente der
Schienenbefestigungs-Konstruktion.
[0025] Zwischen den Fahrzeugen und dem Gleis besteht eine Beziehungskomponente, und zwar
insoweit, als sich Schwingungen in der Schiene unter anderem auch als Schwingungen
im Rad auswirken.
[0026] Die durch die Torsions-Biegespannung ausgelösten Schwingungen verursachen eine zusätzliche
Belastung der Schiene als auch des Fahrzeugs. Der Verschleiß wird in beiden Komponenten
(Schiene / Fahrzeug) größer und das Ende der Dauerfestigkeit eher erreicht. Diese
Schwingungsbeziehungen sind bis in den Wagenkasten nachweisbar.
[0027] Mit einer Reduzierung der Schwingungen im Schienenbereich durch die erfindungsgemäße
Ausbildung der tropfen- bzw. eiförmigen Vorwölbungen am Schienensteg lassen sich also
die Belastungen der Materialien im Rad / Schiene-System als auch die Auswirkungen
auf Mensch / Reisenden und Umwelt durch Vibration und Lärm durch die Beeinflussung
der Frequenz und der Amplitude herabsetzen.
[0028] Die Erfindung wird nachfolgend anhand einiger Ausführungsbeispiele der Erfindung
und unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Im Einzelnen zeigen dabei:
- Fig. 1
- eine Schiene im Profil gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
- Fig. 2
- eine Schiene im Profil gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
- Fig. 3
- eine Schiene im Profil gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel,
- Fig. 4
- eine Schiene im Profil gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel,
- Fig. 5
- eine Schiene im Profil gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel und
- Fig. 6
- eine Schiene im Profil gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel.
[0029] In den Figuren 1 bis 6 sind verschiedene Ausgestaltungen einer erfindungsgemäßen
Schiene 10 dargestellt. Sämtlichen Ausführungsbeispielen gemeinsam ist der Umstand,
dass die Schiene 10 einen Schienenfuß 12 aufweist, von dem etwa mittig ein Schienensteg
14 aufragt. An dem dem Schienenfuß 12 abgewandten Ende des Schienensteges 14 befindet
sich ein Schienenkopf 16.
[0030] Die Besonderheit dieses Schienenprofils besteht nun darin, dass zumindest auf einer
der beiden Seiten 18, 20 des Schienensteges 14 mindestens eine im Wesentlichen tropfen-
bzw. eiförmige Vorwölbung 22, 24 ausgebildet ist. Diese Vorwölbungen 22, 24 sind Bestandteil
des Schienenprofils und erstrecken sich über die gesamte Länge der Schiene 10.
[0031] In der Profil- bzw. Querschnittsansicht gemäß Figur 1 sind die Vorwölbungen 22, 24
derart ausgebildet, dass ihre "Bäuche" dem Schienenfuß 12 zugewandt positioniert sind.
Jede Vorwölbung 22 kann im Wesentlichen beschrieben werden durch eine schienenkopfseitige
erste Flanke 26 und eine schienenfußseitige zweite Flanke 28, die mit einem Wendepunkt
versehen sein kann. Beide Flanken können gradlinig oder aber auch leicht geschwungen,
also mit Wendepunkt, ausgeführt sein. Zwischen den beiden Flanken 26, 28 befindet
sich der Scheitelpunkt 30 der betreffenden Vorwölbung 22, 24, der außermittig zum
Zentrum der Vorwölbung angeordnet ist. Durch das Zentrum der Vorwölbung 22 verläuft
eine Mittelachse 32, die auf halber Höhe des Abstandes zwischen dem schienenkopfseitigen
Ende 34 der Vorwölbung und dem schienenfußseitigen Ende 36 der Vorwölbung senkrecht
zur betreffenden Schienenstegseite verläuft.
[0032] Figur 2 zeigt eine Variante, wobei die Vorwölbungen 22, 24 gegenüber der Situation
nach Figur 1 invertiert sind, so dass ihre "Bäuche" dem Schienenkopf 16 zugewandt
sind, ihre Scheitelpunkte 30 also oberhalb der Mittellinie 32 angeordnet sind.
[0033] In Figur 3 ist eine Konstellation wiedergegeben, bei der beidseitig des Schienensteges
14 insgesamt drei Verwölbungen 22, 24, 25 angeordnet sind, wobei auf der Schienenstegseite
18 zwei Vorwölbungen 22, 24 existieren, während die andere Schienenstegseite 20 eine
Vorwölbung 24 aufweist.
[0034] Die Vorwölbung 24 auf der Schienenstegseite 20 ist auf Lücke zwischen den beiden
Vorwölbungen 22, 25 auf der Schienenstegseite 18 angeordnet. In Figur 4 ist ein mit
dem Schienenprofil gemäß Figur 3 ähnliches Schienenprofil gezeigt, wobei die Ausrichtung
der Vorwölbungen 22, 24, 25 gegenüber der Situation gemäß Figur 3 invertiert ist.
[0035] Ferner ist in Figur 3 noch angegeben, welche Radien die einzelnen Krümmungsabschnitte
der Vorwölbungen aufweisen. Die erste Flanke 26 einer Vorwölbung setzt sich aus zwei
gegensinnig gekrümmten Rundungen mit im Wesentlichen gleichem Radius R1 zusammen,
während die zweite Flanke 28 zwei ebenfalls gegensinnig gekrümmte Radienabschnitte
mit den Radien R2 aufweist. Im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 ist noch angegeben,
dass R1 im Wesentlichen gleich der Dicke t des Schienensteges 14 ist, während R2 im
Wesentlichen gleich der halben Schienenstegdicke t ist.
[0036] In den Figuren 5 und 6 sind zwei letzte Ausführungsbeispiele eines Schienenprofils
beschrieben. Hier sind ebenfalls Radien angegeben (siehe Figur 5), wobei in Figur
5 noch eine weitere Besonderheit angegeben ist, indem das Verhältnis der Radien zur
Schienenstegdicke t angegeben ist. Dies soll aber nur als Beispiel angesehen werden.
Auch für die Flankenverläufe der Verwölbungen gemäß Figur 5 gilt, dass sich diese
durch gegensinnig gekrümmte Radienabschnitte zusammensetzten, wie es in Figur 5 gezeigt
ist. Eine weitere Besonderheit der Ausgestaltungen der Figuren 5 und 6 ist in dem
Versatz der beiden beidseitig des Schienensteges angeordneten Vorwölbungen 22, 24
zu sehen.
1. Schiene für ein spurgeführtes Fahrzeug, insbesondere Eisenbahnschiene, mit
- einem Schienenfuß,
- einem von diesem aufragenden, zwei gegenüberliegende Seiten aufweisenden Schienensteg
und
- einem Schienenkopf an dem dem Schienenfuß abgewandten Ende des Schienensteges,
- wobei der Schienensteg an mindestens einer seiner Seiten eine im Wesentlichen tropfen-
bzw. eiförmige Vorwölbung mit einem Scheitelpunkt aufweist, der außerhalb einer bezogen
auf die Erstreckung der Vorwölbung zwischen Schienenfuß und Schienensteg verlaufenden
Mittelsenkrechten liegt.
2. Schiene nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schienensteg auf mindestens einer seiner Seiten mehrere, insbesondere zwei im
Wesentlichen tropfen- bzw. eiförmige Vorwölbungen aufweist.
3. Schiene nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schienensteg auf beiden Seiten mindestens eine im Wesentlichen tropfen- bzw.
eiförmige Vorwölbung aufweist.
4. Schiene nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die im Wesentlichen tropfen- bzw. eiförmigen Vorwölbungen beider Seiten des Schienensteges
gegenüberliegend oder versetzt zueinander, insbesondere auf Lücke, angeordnet sind.
5. Schiene nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Scheitelpunkt der Vorwölbung auf der dem Schienenfuß zugewandten Seite der Mittelachse
angeordnet ist,
6. Schiene nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheitelpunkte sämtlicher im Wesentlichen tropfen- bzw. eiförmiger Vorwölbungen
auf der selben Seite der Mittelachse, insbesondere sämtlich dem Schienenfuß zugewandt,
angeordnet sind.
7. Schiene nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorwölbungen im Wesentlichen halbtropfen- bzw. halbeiförmig ausgebildet sind,
und eine dem Schienenfuß zugewandte schienenfußseitige Flanke sowie eine dem Schienenkopf
zugewandte schienenkopfseitige Flanke aufweisen, die voneinander verschiedene Anstiegswinkel
aufweisen.
8. Schiene nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die schienenkopfseitige Flanke flacher ist, als die schienenfußseitige Flanke.
9. Schiene nach Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die im Wesentlichen tropfen- bzw. eiförmige Vorwölbung eine abgerundete Oberfläche
aufweist.
10. Gleis für ein spurgeführtes Fahrzeug, insbesondere Eisenbahn, mit
- zwei Schienen nach einem der vorhervorgehenden Ansprüche, wobei die Schienenstege
der beiden Schienen einander zugewandte Innenseiten und einander abgewandte Außenseiten
aufweisen, auf denen jeweils mindestens eine im Wesentlichen tropfen- bzw. eiförmige
Vorwölbung ausgebildet ist, und wobei die Ausbildung und Anzahl der im Wesentlichen
tropfen- bzw. eiförmigen Vorwölbungen auf den Außenseiten der Schienenstege der beiden
Schienen bezogen auf eine zur Erstreckung der Schienenstege parallelen sowie zwischen
den Schienen verlaufenden Mittelachse im Wesentlichen symmetrisch bzw. gleich ist.
11. Gleis nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass auf den Innenseiten der Schienenstege der beiden Schienen ebenfalls im Wesentlichen
tropfen- bzw. eiförmige Vorwölbungen ausgebildet sind.