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Verfahren zur Dimensionierung der horizontalen
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Stützkräfte von Traversen in Fugenüberbrückungsvorrichtungen.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Dimensionierung der horizontalen
Verschiebewiderstandskräfte von Traversen in von Kraftfahrzeugen befahrenen Fugenüberbrückungsvorrichtungen,
bei denen mehrere in Fugenlängsrichtung verlaufende Lamellen jeweils fest mit zwei
oder mehreren in den gegenüberliegenden Fugenrändern verschieblich zwischen vertikal
vorgespannten Lagerteilen gelagerten Traversen verbunden sind, und wobei die Lamellen
durch elastische Steuerteile in gleichen Abständen gegeneinander und gegenüber den
Fugenrändern abgestützt sind.
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Werden beim Bremsen eies Fahrzeugrads auf der Fugenüberbrückungsvorrichtung
die in die Lamellen eingeleiteten Horzontalkräfte nach rein statischen Gesichtspunkten
- wie bisher üblich - berechnet, so ist eine Uberbeanspruchung der Lamellen nicht
auszuschließen. Gegen diese Ansicht spricht war die lanrljährige qute Erfahrung
mit Lamellenkonr,trukt iJien in der Praxis, jedoch steht ein sicherheitstechnlscher
Nachweis noch aus.
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Die nach den einschläigen DIN-Normen anzusetzenden Horizontalkräfte,
verursacht durch das Bremsen von Fahrzeugen, liegen im Maximum so hoch, daß eine
Aufnahme dieser Beanspruchung durch die Lamellen der Fugenüberbrückungsvorrichtung
bei vertretbarer Dimensionierung der Lamellen nicht möglich ist. Das Widerstandsmoment
der Lamellenprofile wäre dabei zu gering. In der Praxis ist es aber weder aus geometrischen
Gründen noch aus Kostengründen möglich, die Lamellenprofile zu vergrössern bzw.
die Stützweite der Lamellen durch Anordnung einer größeren Anzahl von Traversen
zu verringern.
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Ziel der Erfindung ist es daher, unter Einbeziehung dynamischer Gesichtspunkte
einen geeigneten Weg f r eine vertretbare Dimensionierung der Lamellen aufzufinden,
wobei die Dimensionierung der Lamellen maßgeblich von der Größe der eingeleiteten
horizontalen Bremskräfte abhängt.
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Der erfindungsgemäßen Lösung ging eine Modelluntersuchung voraus,
welcher die Hypothese zugrundelag, daß beim Brensvorgang eines mehrachsigen Fahrzeugs
die
auf einer Fugenüberbrückungsvorrichtung befindliche Achse mit ihren Rädern wegen
der Verschieblichkeit der Lamellen wesentlich geringere Bremskräfte aufnimmt als
diejenige Achse, deren Räder sich auf der starren üblicherweise zudem mit einem
höheren Reibungskoeffizienten behafteten Fahrbahn befinden. Tatsächlich hat die
Untersuchung erwiesen, daß es zu einer derartigen Umlagerung der Bremskräfte auf
die auf der Fahrbahn befindlichen Räder kommt.
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Wegen der begrenzten Breite des Lamellenprofilquerschnitts beträgt
die Kontaktzeit mit dem bremsenden Rad je nach Geschwindigkeit des Fahrzeuges etwa
0,02 bis 0,04 sek.
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In dieser Zeitspanne, während der sich die Lamelle bzw. Traverse überraschenderweise
nur um etwa 0,5 bis 2 mm in Richtung des Bremsschubes horizontal verschiebt, kommt
es also zu der genannten Umlagerung der Bremskräfte auf die mit den Rädern auf der
festen Fahrbahn befindliche Achse. Die horizontale Verschiebung kommt dadurch zustande,
daß sich die Traversen, welche die Lamellen tragen, wobei jede Lamelle miz bestimmten,
nur ihr zugeordneten Traversen fest verbunden ist, zwischen den vorgespannten Lagerteilen
geringfügig versdieben. Während dieser Verschiebung kommen die eingangs genannten
elastischen Steuerteile zur Wirkung.
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Ausgehend von diesen Überlegungen und Erkenntnissen besteht die weitere
erfinderische Gedankenkette darin, daß die in die Lamellen eingeleiteten Bremskräfte
im Gleichgewicht stehen mit dem Verschiebewiderstand der Lamellen gegen Horizontalverschiebungen
in Richtung des Bremsschubs. Ist dieser Verschiebewiderstand hoch, so verhält sich
das Fahrzeug ähnlich wie beim Bremsen mit den Rädern beider Achsen auf einer festen
lJierlage. Die belastete Lamelle wird, soange eine horizontale Verschiebung nicht
eintritt, der vollen Wirkung der Bremskräfte unterworfen.
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Ist der genannte Verschiebewiderstand zu gering, so ergeben sich unerwünscht
höhe Verschiebewege der Lamellen, die dann möglicherweise bis zum Erreichen eines
Anschlages verschoben werden. Die von der vorliegenden Erfindung gegebene konkrete
Regel bezieht sich daher auf einen zwischen den beiden genannten Extremen liegenden
Bereich des Verschiebewiderstandes, bei dem erst ab Erreichen einer bestimmten Bremskraft
der Verschiebewiderstand überwindbar ist, so daß es zu einer Verschiebung unter
deutlicher Umlagerung der Bremskrafte kommt, wobei jedoch der Verschiebeweg auf
kleinere Werte begrenzt ist. Dieser Bereich wird nach der Lehre der vorliegenden
Erfindung gemäß dem Kennzeichen von Patentanspruch 1 definiert.
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Tm Rahmen üblicher konstruktiver Gesichtspunkte ist es vorteilhaft,
daß die vertikale Vorspannkraft, abhängig vom Reibungskoeffizienten zwischon Lagerteilen
und Traversen, zwischen 10 und 30 kN, der Reibungskoeffizientzwischen 0,1 und 0,2
gewählt wird.
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Für die praktische Ermittlung der horizontalen Reibungskräfte je belastete
Lamelle wird auf Unteranspruch 4 verwiesen.
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lurch die erfindungsgemäße Regel, welche die Reibungskräfte in den
Traversenauflagern definiert, kommt es zu einer entprechenden Eingrenzung des Verschiebewiderstands
der Lamellen. In den Traversenauflagern sind die Enden der Traversen zwischen einem
oberen und einem unteren Lagerteil unter Vorspannung gelagert. Die durch die Vorspannung
erzeugten Reibungskräfte an den Traversenauflagern-ergeben eine starre Stütze der
statisch als Durchlaufträger wirkenden Lamelle gegenüber auf diese einwirkenden
Horizontalkräften.
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Die Reibungskraft R errechnet sich nach der Formel R = T x V wobei
» der Reibungskoeffizient, V die durch die vertikale Vorspannung und die vertikalen
Radlasten erzeugte Vertikalkraft ist. Die Reibungskraft ist nach der Lehre der Erfindung
so festgelegt, daß bis zum Beginn der Verschiebebewegung einer Lamelle Bremskräfte
etwa im Bereich von 15 bis 25 kN pro Rad, bzw. von 30 bis 50 kN pro Fahrzeugachse
in die Lamelle eingeleitet werden.
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Steigt die Bremskraft an, so kommt es zu einer Lamellenverschiebung,
wobei die Beanspruchung der Lamelle nach Beginn der Lamellenverschiebung in jedem
Fall niedriger ist als kurz vor Beginn der Lamellenverschiebung. Damit ist es in
hinwendung der erfindungsgemäßen Lehre möglich, die Lamellen entsprechend dem zugelassenen
horizontalen Verschiebewiderstand zu dimensionieren, wobei Überbelastungen infolge
der Umlagerung der Bremskräfte bei Beginn der Lamellenverschiebung vermeidbar sind.
Die Reibungskräfte im Lagerbereich der Traversen haben dabei eine mit einer Rutschkupplung
vergleichbare Funktion. In dem Moment, wo die Traversen zwischen den Lagerteilen
durchrutschen, weil die Bremskräfte entsprechend hoch sind, beginnt die Verschiebung
der belasteten Lamelle; ein weiteres Ansteigen der Lamellenbelastung wird dadurch
vermieden, daß sich die Bremskraft von den über der Fugenüberbrückungsvorrichtung
ifindlichen Rädern auf die außerhalb der Fugenüberbrückung auf der Fahrbahn stehenden
Räder umlagert. Die dabei im Bereich der Traversenauflager in Kauf zu nehmende Verschiebung
der Traversen in horizontaler Richtung liegt, wie die Versuche für einige praktische
Auslegungsfälle gezeigt haben, in einer konstruktiv beherrschbaren Größenordnung
von 0,5 bis 2 mm. Gerade diese Tatsache ist eine wichtige Voraussetzung für die
Anwendung ir erfindungsgemäßen Regel. Durch den beobachteten minimalen Verschiebeweg
von 0,5 bis 2,0 mm ist sichergestellt, daß die Lamellen selbst bei maximaler Breite
des Fugenspalts zwischen benachbarten Lamellen, nicht ihre die horizontale Verschiebung
begrenzenden starren Endanschläge erreichen. Der genannte Verschiebeweg
liegt
nämlich innerhalb des für Fugenüberbrükkungsvorrichtungen vorgeschriebenen Sicherheitsdehnweges
von 5 mm je Fugenspalt, bei maximaler Fuge spaltbreit.
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In Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Dimensionierung
der horizontalen Stützkräfte in den Traversenauflagern ergibt sich eine vorteilhafte
konstruktive Auslegung des Lamellenprofils. Die Lamelle ist für die Aufnahme von
Bremskräften zwischen 10 und 25 kN pro Rad zu bemessen, da sie bis zum Beginn ihrer
Verschiebung wie ein starr gestützter Durchlaufträger wirkt. Der weitaus überwiegende
Teil der praktisch auftretenden Bremskräfte liegt in diesem Bereich, also zwischen
10 und 25 kN pro Rad. Erst seltener auftretende höhere Bremskräfte, z.B. bei der
Vollbremsung eines Schwerlastkraftwagens, bewirken eine (reversible) Verschiebung
der Lamellen, jedoch - wie oben erläutert - ohne daß diese dabei stärker belastet
werden. Somit ergibt sich eine optimale Dimensionierung der Lamellenprofile.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es
zeigt Fig. 1 ein Belastungsdiagramm Fig. 2 eine Fugenüberbrückungsvorrichtung als
Vertikalschnitt gem. II-II der Fig. 3 und Fig. 3 eine Draufsicht auf die Vorrichtung.
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Figur 1 zeigt ein Belastungsdiagramm als Ergebnis der durchgeführten
Modellversuche und Berechnungen. Darin sind Kurven für die Bremskraft B und für
den Verlauf der Reibungskräfte R in den Traversenauflagern, abhängig von der Zeit
t, qualitativ dargestellt. Die Bremskraftkurve B bezieht sich auf den Fall einer
starr gestützten Lamelle. Beim Überfahren der Lamelle durch ein bremsendes Fahrzeug
steigt die Bremskraft in der Zeit t0 - t2 während des Auffahrens des Rads auf die
Lamelle zunächst bis zu einem Maximalwert an; dieser wird während der Zeit t2 t
t3, das ist bei voller Belastung der Lamelle durch das Rad, konstant gehalten, um
dannwährend der Zeit t3 - t5, also beim Abfahren des Rads von der-Lamelle wieder
auf Null abzusinken.
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Der Reibungskraftverlauf im Bereich der Traversenaulager beginnt bei
R0, d.i. die Reibungskraft aus der vertikalen Vorspannung der unbelasteten Lamelle.
Beim Befahren der Lamelle steigt unter der Einwirkung der vertikalen Radlast des
Fahrzeugs die Reibungskraft Rg geringfügig an, und zwar solange, bis es im Zeitpunkt
t1 zu einem Überwiegen der Bremskraft kommt. In diesem Zeitpunkt beginnt die Verschiebebewegung
der Lamelle, die nach der Zeitspanne tv7 also im Zeitpunkt t4
wieder
endet. Während der Zeit tv verschiebt sich die Lamelle um einen sehr geringen Weg,
nämlich zwischen 0,5 und 2,5 mm. Wie bereits angedeutet, bezieht sich die Kurvendarstellung
für die Bremskraft B auf denen einer starr gestützten Lamelle. Unter dynamischen
Gesichtspunkten und unter Einbeziehung der Lamellenverschiebung ergibt sich für
den Zeitabschnitt t1 - t4 ein anderer, von der Darstel'ung in Figur 1 abweichender
Bremskraftverlauf, nämlich auf einem deutlich niedrigeren Niveau, wobei zum Zeitpunkt
tl ein sprunghafter Abfall zu beobachten ist.
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Die Figuren 2 und 3 zeigen eine Fugenüberbrükkungsvorrichtung, bei
Figur 2 in einem Vertikalschnitt, bei Figur 3 in der Draufsicht auf die Traversen.
Die Fugenüberbrückungsvorrichtung überbrückt den Fugenspalt 1 zwischen den beiden
Fugenrändern 2, 3. In Figur 2 im Profil dargestellte Lamellen 4 erstrecken sich
parallel zueinander in Längsrichtung des Fugenspalts 1. Die Lamellen 4 sind wie
bei den üblichen Konstruktionen, je nach ihrer Länge zwei- oder mehrfach auf mit
ihnen fest verbundenen Traversen 6 abgestützt, deren Enden innerhalb sogenannter
Traversenkästen 5 gelagert sind.
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Bezüglich des Fugenspalts 1 liegen sich jeweils zwei Traversenkästen
5 gegenüber. Die Traversen 6 überbrücken den Fugenspalt 1. Sie sind im Bereich ihrer
beiden Enden jeweils zwischen einem oberen Lagerteil 7 und einem unteren Lagerteil
8 abgestützt. Beide Lagerteile 7, 8 bestehen aus elastischem Werkstoff und sind
in vertikaler Richtung vorgespannt. Damit die Querträger in horizontaler Richtung
zwischen den Lagerteilen mit einer definierten Reibungskraft gleiten können, sind
die Traversen im Bereich der Lagerstellen mit * *Belastungsfall
einer
Gleitauflage 9 versehen. Die oberen Lagerteile 7 sind nach oben hin abgestützt gegen
Horizontal stege 10 der Randlamellen 11; die unteren Lagerteile8sind gegenüber dem
Fugenrand auf mit einer Armierung 13 verbundenen Lagerplatten 12 abgestützt. Die
Lamellen 4 sind jeweils mit nur ihnen zugeordneten Traversen 6 fest verbunden. Jeder
derartige Verband aus einer Lamelle und zwei oder mehreren Traversen, von denen
in Figur 3 jeweils nur eine Traverse pro Lamelle dargestellt ist, kann sich in seiner
Gesamtheit in horizontaler Richtung verschieben.
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Die Fugenspalte zwischen den Lamellen sind durch Dichtungsprofile
14, welche in die Lamellenprofile eingeknöpft sind, abgestützt.
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Zwischen den-Traversen befinden sich elastische Steuerkörper 15, welche
zwischen Vorsprüngen 7 der benachbarten Traversen gepuffert sind. Diese auf Druck
belasteten Steuerkörper 15 werden mit zunehmender Öffnung der Fuge zunehmend zusammengedrückt.
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In der Darstellung gemäß Figur 3, welche eine Draufsicht auf die Fugenüberbrückungskonstruktion
im Auflagebereich zeigt, sind die Lamellen o und die Dichtungskörper 14 entfernt,
so daß man die Traversen mit ihren Verbindungsstücken 18 zu den einzelnen Lamellen
erkennt.