1 , Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft Schienenbefestigungssysteme zum Befestigen einer Schiene auf einem Untergrund, umfassend eine auf Fahrbahnplatte/Betonplatte (feste

Fahrbahn), oder auf einer Schwelle (Schotteroberbau) angeordnete Zwischenplatte, eine Schienenbefestigungsplatte mit darauf angeordneten Winkelführungsplatten, wenigstens zwei erste Spannklemmen zum Verspannen des Schienenfußes mit der Schienenbefestigungsplatte sowie Schrauben und / oder Dübeln zum Ver- schrauben des Schienenbefestigungssystems mit der fahrbahnplatte bzw. mit dem Schotteroberbau.

Insbesondere betrifft die Erfindung Schienenbefestigungssysteme, wie sie in so genannten Übergangsbereichen zwischen unterschiedlichen Gleisbetten mit unterschiedlichen Elastizitäten angeordnet sind. Derartige Übergangsbereiche finden sich beispielsweise am Eingang und Ausgang von Tunneln, an den Enden von Brücken und dergleichen immer dort, wo die Art und somit die Elastizität des Unterbaus bzw. des Planums wechselt und somit bei Belastung hohe Bewegungen im Oberbau, d. h. im Gleis mit der Schiene, vorliegen.

2. Stand der Technik

Generell gibt es auf allen Bahnstrecken die oben bereits erwähnten Übergangsbereiche, d. h. beispielsweise Übergänge von Brücken zu Tunneln, Brücken zum Planum, Planum zum Tunnel oder von Brückenabschnitt zu Brückenabschnitt mit dazwischen liegenden Pfeilern.

Aufgrund der unterschiedlichen Elastizitäten des Unterbaus, beispielsweise im Tunnel das Felsgestein, bei einer Stahlbetonbrücke die relativ weiche Brückenkonstruktion, bewegt sich im Übergangsbereich der Oberbau und somit die Schiene sehr stark.

Insbesondere bei einer festen Fahrbahn _» also bei einer Fahrbahn ohne Schotter, bei der die Schienenbefestigungen direkt auf Betonp!atten montiert sind, treten im Ü ergangsbereich von Brücke zu Tunnel bei der Überfahrt durch den Zug erhebliche abhebende Bewegungen auf, da der Zug in diesem Bereich eine so genannte Abhebewelle an der Schiene erzeugt. Das in diesem Bereich verwendete Schienenbefestigungssystem muss deshalb so ausgelegt sein, dass die Abhebewelle einerseits geglättet werden kann und andererseits hohe Abhebekräfte aufgenommen werden können. Somit sind sowohl eine hohe Elastizität als auch hohe Niederhaltekräfte bei derartigen Schienenbefestigungssystemen gefordert.

Gleichzeitig muss das Schienenbefestigungssystem gewährleisten, dass der Durchschubwiderstand in Schienenlängsrichtung reduziert wird, damit durch thermische und betriebsbedingte Längsbewegungen der Schiene keine schädigenden Kräfte auf die Brückenkonstruktion oder einen anderen Unterbau einwirken.

Schließlich sind an derartige Schienenbefestigungssystemen auch besonders hohe Anforderungen an die laterale Elastizität, d. h. die Elastizität quer zur Schienen- richtung, vorgestellt, um ein elastisches Aufnehmen der Querverschiebungen von Übergangsplatten, somit neben den Bewegungsfugen zwischen einzelnen Fahrbahnplatten, elastisch aufzunehmen und somit zu begrenzen. Die in derartigen Übergangsbereichen auftretenden Kräfte und Verschiebungen sind schematisch in den Figuren 1 bis 2 dargestellt

In Figur 1 sind die auf die Schienenbefestigungssysteme einwirkende Kräfte für den Fall dargestellt, dass das Gleis 2 einen Übergang zwischen einem Schienenstützpunkt 23a mit gegenüber dem Untergrund 26 nicht geneigter Lagergleitebene und einem benachbarten Schienenstützpunkt 23b mit gegenüber dem Untergrund 26 geneigter Lagergleitebene 25 überbrückt. Bei Überfahrt eines Zuges über die Schiene 2 wird eine horizontale Verschiebung an der Schiene 2 durch eine Druckbelastung auf den Schienenstützpunkt 23b in Richtung des Pfeils 28 sowie eine Zugbelastung auf den Schienenstützpunkt 23a in Richtung des Pfeils 29 bewirkt. Dies führt schließlich zu dem Vertikalsprung δ _ν der Schiene 2 im Bereich oberhalb der Trennfuge 21

Figur 2 zeigt die durch eine vertikale Verschiebung und die auf das dem Lager 23a über die Trennfuge 21 benachbarte Lager 23b einwirkende Querkratt, welche eine Querverschiebung 5 _q des Lagers 23 b gegenüber dem Lager 23a bewirken.

Die bisher aus der Praxis bekannten Schienenbefestigungssysteme sind nicht in der Lage, sämtlichen oben genannten Kriterien so zu genügen, dass die Abhebewelle ausreichend stark geglättet wird und Längs- sowie Querverschiebungen ohne schädigende Einwirkungen auf dem Unterbau sicher aufgenommen werden können.

3. Aufgabe der Erfindung

Es war daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Schienenbefestigungssystem zum

Befestigen einer Schiene auf einem Untergrund, vorzugsweise einem Untergrund mit unterschiedlicher Elastizität, zur Verfügung zu stellen, das in der Lage ist, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zu überwinden. Diese Aufgabe der Erfindung wird mit einem Schienenbefestigungssystem, umfassend die Merkmale des Anspruchs 1 , gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.

4. Zusammenfassuni der Erfindung

Gemäß der Erfindung wird den einzelnen Kriterien, die insbesondere im Übergangsbereich von Schienenbefestigungssystemen erfüllt werden müssen, dadurch begegnet, dass zwischen der Schiene und der Schienenbefestigungsplatte eine elastische Zwischenlage angeordnet ist, dass eine Zwischenplatte zwischen Schienenbefestigungsplatte und Betonplatte bzw. Höhenausgleichsplatte aus einem hochelastischen Material besteht, dass wenigstens zwei zweite Spannklemmen zum Verspannen der Schienenbefestigungsplatte mit dem Unterbau, vorzugsweise über die Zwischenplatte, wobei die ersten und zweiten Spann klemmen hochelastisch und mit hoher Spannkraft ausgeführt sind, vorgesehen sind und das wenigstens eine obere Gleitplatte zwischen dem Schienenfuß und einer ersten Spannklemme und wenigstens eine untere Gleitplatte zwischen dem Schienenfuß und der elastischen Zwischenlage angeordnet ist.

Die hohe Elastizität des Schienenbefestigungssystems wird vor allem durch eine hochelastische Zwischenplatte und/oder eine Stahlplatte in Verbindung mit einer elastischen Zwischenlage generiert. Die Zwischenplatte liegt dabei unterhalb der eigentlichen Schienenbefestigungsplatte, die wiederum mit zwei hochelastischen Spannklemmen mit gleichzeitig hoher Spannkraft auf der elastischen Platte gehalten wird. Die Zwischenlage liegt auf der Schienen befestigungsplatte unterhalb des Schienenfußes, Mit dieser doppelt elastischen Lagerung werden die erforderlichen Einsenkungen (Elastizitäten) erreicht. Im Nahverkehr sind die geforderten Elastizitäten etwa 5 - 20 kN/mm bei fester Fahrbahn, im Fern- und Güterverkehr mit den damit verbundenen höheren Geschwindigkeiten und höheren Lasten im Bereich von 20 - 35 kN/mm auf bei fester Fahrbahn. Bei den besonders hohen Anforde- rungen im Übergangsbereich zwischen zwei Unterbauten mit unterschiedlicher Elastizität bei fester Fahrbahn sind Schienenbefestigungssysteme mit dieser hohen Elastizität bei gleichzeitig hoher Verspannung (hohe Spannkraft) gefordert.

Bevorzugt wird eine hochelastische Zwischenplatte mit den im Folgenden näher erläuterten Vorteilen und Merkmalen. Insbesondere im Übergangsbereich von Brücken zu benachbarten Untergründen kann jedoch auch einzeln oder in Kombination mit einer hochelastischen Zwischenplatte eine Stahlplatte vorgesehen sein.

Die hohen Niederhaltekräfte, die in den erfindungsgemäßen Schienenbefestigungssystemen gefordert sind, werden durch erste und zweite Spannklemmen erreicht, die jeweils zu beiden Seiten der Schiene ein Verspannen des Schienenfußes mit dem Unterbau bewirken. Während die ersten Spannklemmen, vorzugsweise genau zwei erste Spannklemmen, den Schienenfuß direkt mit der Schienenbefestigungsplatte verspannen über eine elastische Zwischenlage, verspannen die zweiten Spannklemmen, vorzugsweise genau zwei zweite Spannklemmen, die Schienenbefestigungsplatte mit dem Betonkörper oder einem anderen Unterbau über die hochelastische Zwischen platte.

Sämtliche Spannklemmen weisen die gleiche hohe Spannkraft bei gleichzeitig hoher Elastizität auf, um ein sicheres Schienenbefestigungssystem auch für den Übergangsbereich zu schaffen. Bevorzugt werden Spannklemmen mit einer dynamischen Dauerfestigkeit im Bereich von 2,5 bis 3,5 mm Verformung sowie mit einer Spannkraft von mehr als 12 kN, vorzugsweise 14 - 16 kN.

Der reduzierte Durchschubwiderstand in Schienenlängsrichtung wird durch die Verwendung von Gleitplatten, beispielsweise aus Stahl oder einem hochfesten Kunststoff, die vorzugsweise mit einer Gleitschicht ausgestattet sind, erreicht. Derartige Gleitschichten können beispielsweise im Wesentlichen aus Molybdän gefertigt sein. Die obere Gleitplatte liegt dabei zwischen der Oberseite des Schie- nenfußes und der ersten Spannklemme, wobei die obere Gleitplatte vorzugsweise so gestaltet ist, dass sie seitlich nicht verrutschen kann. Die bevorzugte Gleitschicht auf wenigstens einer Oberseite der oberen Gleitplatte ist dabei der Schienenfußoberseite zugeordnet.

Die untere Gleitplatte wiederum liegt zwischen der Schienenfußunterseite und einer elastischen Zwischenlage, wobei auch in diesem Fall vorzugsweise eine Gleitschicht der unteren Gleitplatte dem Schienenfuß zugeordnet ist

Vorzugsweise sind die Enden der jeweiligen Spannklemmenarme abgeflacht, um ein vollständiges Aufliegen der Spannklemme auf der oberen Gleitplatte zu ermöglichen und insbesondere lokale Deformationen der oberen Gleitplatte zu vermelden.

Die laterale Elastizität schließlich, d. h, die Elastizität quer zur Schienenausrichtung, wird vorzugsweise durch Verwendung von mehreren Winkelführungsplatten, vorzugsweise vier Winkelführungsplatten, aus hochfestem und elastischem Kunststoff und mit gegebenenfalls einer entsprechenden verrippten Geometrie der jeweiligen Winkelführungsplatte erreicht. Besonders bevorzugt wird ein hochfester elastischer Kunststoff PA 6.6 mit einem Anteil von 30 % Glasfasern in der Matrix.

Bevorzugt weist die hochelastische Zwischenplatte eine abgestufte Elastizität auf, bei der die Platte bei Einleitung einer ersten Belastung vergleichsweise weich reagiert, somit eine flache Federkennlinie aufweist, und bei Einleitung einer höheren Belastung, beispielsweise einem Federweg von wenigstens 2 mm _» eine höhere Elastizität aufweist, d. h. eine steilere Femkennlinie zeigt. Diese Art einer zweiteiligen Federkennlinie kann beispielsweise durch Abstufung eines homogenen elastischen Materials oder durch Bereitstellen erhabener Geometrieelemente erreicht werden. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltungsform der Erfindung ist daher in der Zwischenplatte wenigstens eine Stufe mit einem Übergang von einem dünneren Bereich zu einem dickeren Bereich ausgebildet Überaus bevorzugt wird eine Ausgestaltungsform der hochelastischen Zwischenplatte, bei der ein vergleichsweise dünner Mittenbereich zu zwei vergleichsweise dicken Seitenbereichen benachbart ist. Die Unterschiede zwischen dem vergleichsweise dünnen und dem vergleichsweise dicken Bereich können erfindungsgemäß im Bereich unterhalb von 1 mm liegen.

Mit dieser Auslegung wird erreicht, dass beim Abheben der Schiene, also beim Passieren der Abhebewelle über den Schienenstützpunkt, die elastische Platte sich entspannt, aber nicht den Kontakt zur eigentlichen Schienenbefestigungsplatte verliert. Das erfindungsgemäße Schienenbefestigungssystem vermeidet daher bevorzugt jedes Abheben von Komponenten bzw. die Bildung von Spalten zwischen den einzelnen Komponenten des Schienenbefestigungssystems.

Darüber hinaus werden bei der Projektierung des erfindungsgemäßen Schienenbefestigungssystems bevorzugt weitere Anforderungen beachtet, so beispielsweise die Einstellung eines bestimmten elektrischen Widerstands. Dies wird durch Bereitstellen geeigneter Isolationselemente, wie etwa Dübel, oder die Form und das Material der Zwischenlage, der Zwischenplatte, der Winkelführungsplatte und / oder der Unterlegplatte erreicht.

Auch die Vormontierbarkeit zumindest von Teilkomponenten des erfindungsgemäßen Schienen befestigungssystems wird bevorzugt, was mit besonders einfachen Mitteln durch die geeignete geometrische Gestaltung insbesondere von Spannklemmen und Winkelführungsplatten erreichbar ist.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann das Schienenbefestigungssystem eine Stahlunterlage aufweisen, die die üblichen Betonstrukturen mit Höckern ersetzt. Durch diese Stahlplattenvariante wird insbesondere in Brückenbereichen eine sichere Auflage und Befestigungsstruktur für die Schiene, vor allem im Bereich von Brückenfugen mit dort erhöhten Anforderungen an die vertikale Kraftaufnahme und laterale Verformbarkeit des Schienenbefestigungssystems bereitgestellt. Die hierfür erfindungsgemäß verwendete Stahlunterlage ist grundsätzlich plattenartig ausgebildet, wobei an den Stirnseiten dort, wo Spannklemmen und/oder Überspannklemmen gegen auf die Stahlunterlage ver- presste Winkeiführungsplatten einwirken, aus der Plattenebene aufkragende Anlageflächen, welche vorzugsweise die Form der Höcker von Betonschwellen nachempfinden, vorgesehen sind. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der auftragenden Anlagenflächen sind diese um einen Winkel > 45°, vorzugsweise von etwa 60°, aus der Plattenebene der Stahlunterlagen zur Schiene hin verschwenkt. Eine horizontale Regulierbarkeit _» vorzugsweise in der Größenordnung von bis zu +/- 8 mm, kann durch eine entsprechende Anpassung und Ausweitung der seitlichen Kunststoffführungselemente erreicht werden, wodurch schlussendlich eine Spurkorrektur von bis zu +/- 18 mm erreicht werden kann. Die vertikale Regulierbarkeit, vorzugsweise in einer Größenordnung von - 4 mm bis + 26 mm, kann vorzugsweise durch Einschob von geeigneten Höhenausgleichsplatten erreicht werden. Vorzugsweise weist die erfindungsgemäß verwendete Stahl- untertagsplatte eine Dicke von 16 mm auf, wobei bei einem Verschwenkwinkel der Anlagefläche um 60° eine maximale vertikale Höhe der Stahlunterlageflächen von 25,8 mm erreicht wird. Vorzugsweise beträgt die Länge über alles der Stahlunterlage bei Standardsystemen bis zu 588 mm, bei einer Breite von 230 mm.

Eine sichere Verankerung des erfindungsgemäßen Schienenbefestigungssystems insbesondere in Beton-Unterbauten oder Stahlkonstruktionen kann durch Verwendung besonderer Dübel-Systeme oder Schraubverbindungen sichergestellt werden.

Ein Höhenausgleich über die Breite des erfindungsgemäßen Schienenbefestigungssystems kann beispielsweise mit besonders einfachen Mitteln unter Ver- endung geeigneter Höhenausgleichsplatten, gegebenenfalls auch Höhenausgleichsplatten mit verschiedenen Dicken, erreicht werden.

Die Einstellbarkeit des erfindungsgemäßen Schienenbefestigungssystems wird bevorzugt unter Verwendung von Winkelführungsplatten mit verschiedenen Breiten erhöht.

5. Kurze Beschreibung der Figuren

Die Erfindung wird im Folgenden unter Verweis auf die Figuren 3 bis 9 näher erläutert. In diesen Figuren sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung oder von Teilkomponenten des erfindungsgemäßen Schienenbefestigungssystems exemplarisch dargestellt.

Figur 3 zeigt eine teilweise geschnittene Ansicht durch ein erfindungsgemäßes Schienenbefestigungssystem am Beispiel für Beton- Unterbauten,

Figur 4 zeigt eine teilweise geschnittene Teilansicht durch ein erfindungsgemäßes Schienenbefestigungssystem,

Figur 5 zeigt eine geschnittene Teilansicht durch ein erfindungsgemäßes

Schienenbefestigungssystem,

Figur 6 zeigt eine Perspektivansicht einer Spannklemme von oben,

Figur 7 zeigt eine Perspektivansicht einer Spannklemme von unten,

Figur 8 zeigt eine Perspektivansicht auf eine Zwischenplatte als Bestandteil einer erfindungsgemäßen Schienenbefestigungssystems, und Figur 9 zeigt eine Perspektivansicht einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schienenbefestigungssystems für Stahlkonstruktionen.

6. Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen

Figur 3 zeigt eine perspektivische und teilweise geschnittene Ansicht eines Schienenbefestigungssystems 1 , über das eine Schiene 2 auf einer Betonplatte oder Betonschwelle 3b befestigt werden kann. Der Aufbau des Schienenbefestigungssystems von unten nach oben sieht eine Höhenausgleichsplatte 11 unterhalb einer hochelastischen Zwischenplatte 4 vor, Höhenausgleichsplatte normalerweise nur für nachträgliche Korrektur von Setzungen nötig nach Baubeginn oder nach längerem Betrieb, Oberhalb der hochelastischen Zwischenplatte 4 ist eine Schienenbefestigungsplatte 5, beispielsweise aus Gussstahl, angeordnet. Zwischen der Zwischenplatte 5 und der Unterseite des Schienenfußes 2a ist eine untere Gleitplatte 13 vorgesehen, deren dem Schienenfuß 2a zugewandte Oberfläche mit einer Gleitschicht versehen ist. Unterhalb der unteren Gleitplatte 13 und oberhalb der Schienenbefestigungsplatte 5 ist überdies eine elastische Zwischenlage 8 angeordnet. Eine obere Gleitplatte 12 liegt auf der Oberseite des Schienenfußes 2a auf und weist ihrerseits auf ihrer dem Schienenfuß 2a zugeordneten Oberfläche eine Gleitschicht auf. Erste Spannklemmen 7a liegen sowohl auf der oberen Gleitplatte 12 als auch zugehörigen Winkelführungsplatten 6 auf und werden über Schrauben mit der Schienenbefestigungsplatte 5 verspannt. Das gesamte Schienenbefestigungssystem 1 wiederum wird über zweite Spannklemmen 7b, die auf zugehörigen Winkelführungsplatten 6 b aufliegen, über Schrauben 9 und gegebenenfalls Dübel 10 mit der Betonplatte bzw. Betonschwelle 3b verschraubt.

Figur 4 zeigt eine vergrößerte Teilansicht des Schienenbefestigungssystems 1 aus Figur 3 mit dem Schichtaufbau des Schienenbefestigungssystems 1 von unten nach oben aus Höhenausgleichsplatte 11 , Zwischenplatte 4, Schienenbefestigungsplatte 5 und darüber angeordneter Zwischenlage 8 zwischen der Schienenbefestigungsplatte 5 und der unteren Gleitplatte 13.

Figur 5 zeigt eine geschnittene und vergrößerte Teilansicht des Schienenfußes 2a, der an einer Teiloberseite von einer oberen Gleitplatte 12 unter Einwirkung der Spannklemme 7a mit der Schienenbefestigungsplatte 5 verspannt ist Zwischen der Zwischenlage 8 und der Unterseite des Schienenfußes 2a ist wiederum eine untere Gleitplatte 13 mit einer zu illustratorischen Zwecken vergrößert dargestellten Gleitschicht 13a vorgesehen. Analog hierzu weist die obere Gleitpiatte 12 an ihrer dem Schienenfuß 2a zugewandten Unterseite eine mit einer gleitenden Schicht 12a versehene Oberfläche auf.

Figur 6 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Spannklemme 7, wie sie vorzugsweise in den erfindungsgemäßen Schienenbefestigungssystemen Verwendung findet. Die Spannklemme 7 weist zwei aufeinander ausgerichtete Enden 30, 31 sowie eine gebogene Mittelschlaufe 32 auf. Auf der Oberseite der Mittelschlaufe 32 sind zwei Abflachungen 33a, 33b eingebracht, um einen größeren Flächenkontakt zwischen der Spannklemme 7 und einer (nicht dargestellten) Spannschraube zu ermöglichen.

Figur 7 zeigt die Unterseite einer Spannklemme 7, vorzugsweise zum Einsatz in einem erfindungsgemäßen Schienenbefestigungssystem. An der Unterseite der freien Enden 30, 31 der Spannklemme 7 sind Abflachungen 30a, 31a angeordnet, um einen höheren Flächenkontakt zwischen der Spannklemme 7 und der (nicht dargestellten) oberen Gleitplatte herzustellen.

Figur 8 zeigt eine perspektivische Ansicht auf die hochelastische Zwischenplatte 4, wie sie bevorzugt in einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schienenbefestigungssystems Verwendung findet. Im mittleren Bereich 4a, somit demjeni- gen Bereich, auf dem im Wesentlichen der Fuß der (nicht dargestellten) Schiene aufliegt, ist die Zwischenplatte 4 dünner als in den Seitenbereichen 4b, 4c ausgestaltet. Der Übergang von den Seitenbereichen 4b, 4c zum mittleren Bereich 4a erfolgt unter Ausbildung jeweils einer Stufe 4e, 4f. Allein durch die geometrische Gestaltung, bevorzugt aber auch in Kombination mit einer geeigneten Materialauswahl oder eines geeigneten Materialverbunds, kann eine Zwischenplatte 4 erhalten werden, die eine zweigeteilte Federkennlinie aufweist, wobei insbesondere bevorzugt wird, wenn abhängig vom Federweg zuerst ein weicher und anschließend ein harter Widerstand gegen Verformung von der Zwischenplatte 4 aufgebracht wird.

Figur 9 schließlich zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen

Schienenbefestigungssystems 1 für Stahlplatten/Stahlkonstruktionsunterbau, bei dem die Winkelführungsplatten 15a, 15b der außenliegenden Spannklemmen 16a, 18b des Schienenbefestigungssystems an stirnseitig an der Stahlunterlage 14 angeordneten Anlageflächen 14a, 14b anliegen. Die Spannklemmen 18a, 16b sind über Schrauben, vorzugsweise metrische Schrauben, mit der Stahlunterlage 14 verbunden. Die Stahlunterlage 14 mit den Anlageflächen 14a, 14b, die in der hier dargestellten Äusföhrungsform um einen Winkel von 80° aus der Plattenebene der Stahlunterlage 14 auf die Schiene 2 hin nach oben verschwenkt sind, ersetzen somit die (nicht dargestellten) Betonstrukturen als Unterlage mit üblicherweise integrierten (nicht dargestellten) Höckern, an die sich die Winkelführungsplatten 15a, 15b im Verspannungszustand anlehnen. Die Stahlunterlage 14 wird vorzugsweise über Schrauben 17a, 17b mit metrischem Gewinde direkt auf eine Stahlkonstruktion 18 aufgeschraubt. In einer ebenfalls bevorzugten Variante, die in Figur 9 nicht dargestellt ist, wird die Stahlunterlage 14 direkt auf einer flachen Be- tonplatte montiert, beispielsweise mittels einer Schraube-Dübel-Kombination (nicht dargestellt), insbesondere einer Schraube-Dübel-Kombination mit Metall- oder Kunststoffdübel.