Die vorliegende Erfindung betrifft eine formschlüssige Bauteilverbindung, ein Verbindungselement für eine derartige Bauteilverbindung und eine Schienenfahrzeugkupplung mit wenigstens einer formschlüssigen Bauteilverbindung zum Verbinden wenigstens zweier Bauteile.

Bei Energieverzehrvorrichtungen in Schienenfahrzeugkupplungen und auch bei anderen technischen Konstruktionen müssen definierte Lasten sicher und dauerfest über formschlüssige Bauteilverbindungen übertragen werden. Gleichzeitig ist es bei bestimmten Anwendungen wünschenswert, dass vorbestimmte Bauteilverbindungen bei Erreichen einer festgelegten Versagenslast kontrolliert versagen, um Überlasten in anderen Bereichen der die formschlüssige Bauteilverbindung aufweisenden Konstruktion zu vermeiden beziehungsweise um alternative Lastwege zu ermöglichen.

Herkömmliche formschlüssige Bauteilverbindungen weisen wenigstens ein erstes Bauteil und wenigstens ein zweites Bauteil sowie ein das erste Bauteil formschlüssig mit dem zweiten Bauteil verbindendes Verbindungselement auf, das beispielsweise als Schraube ausgeführt ist. Die Schraube weist eine gezielte Querschnittschwächung durch eine in ihrer Oberfläche eingebrachte Umfangsnut auf. Diese Umfangsnut stellt in Abhängigkeit ihrer Geometrie die gewünschte Versagenslast ein, bei welcher an Abscheren des Schraubenschafts erfolgt.

Nachteilig bei den bekannten Ausgestaltungen ist, dass durch die Querschnittsschwächung mit einer Oberflächennut auch die Dauerfestigkeit des entsprechenden Verbindungselementes stark herabgesetzt wird. Andere Lösungen, wie beispielsweise in US 6,981,599 B2 beschrieben, sehen eine Hohlbohrung in einem gewindetragenden Bauteil vor mit dem Ziel, dieses gezielt zu schwächen, um ein unter Last definiertes Versagen des gewindetragenden Bauteils zu ermöglichen. Nachteilig ist, dass die Hohlbohrung nicht beliebig auslegbar ist, sondern dieser im Hinblick auf die Funktion und Festigkeit des Verbindungselementes Grenzen gesetzt sind.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine formschlüssige Bauteilverbindung, beispielsweise in einer Energieverzehrvorrichtung einer Schienenfahrzeugkupplung, anzugeben, wobei die Bauteilverbindung Lastzustände bis zu einer exakt einstellbaren Versagenslast erträgt und zugleich eine vergleichsweise hohe Dauerfestigkeit aufweist. Des Weiteren soll die Bauteilverbindung nach Möglichkeit auch für Bauteilverbindungen, die durch zwei oder mehrere Schnittstellen charakterisiert sind, geeignet sein.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch eine formschlüssige Bauteilverbindung mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Ein Verbindungselement für eine formschlüssige Bauteilverbindung ist durch Anspruch 13 charakterisiert, eine Schienenfahrzeugkupplung mit einer derartigen Bauteilverbindung durch Anspruch 14. In den abhängigen Ansprüchen werden vorteilhafte und besonders zweckmäßige Ausgestaltungen der Bauteilverbindung sowie

Schienenfahrzeugkupplung, insbesondere eine Energieverzehrvorrichtung einer Schienenfahrzeugkupplung mit einer solchen formschlüssigen Bauteilverbindung angegeben.

Die erfindungsgemäße formschlüssige Bauteilverbindung weist wenigstens ein erstes Bauteil und wenigstens ein zweites Bauteil sowie ein das erste Bauteil formschlüssig mit dem zweiten Bauteil verbindendes Verbindungselement auf. Das Verbindungselement ist durch eine das erste Bauteil und das zweite Bauteil entlang einer Achse durchdringende Bohrung gesteckt. Das Verbindungselement einen sich entlang der Achse erstreckenden hohlen Kern auf. Erfindungsgemäß weist das Verbindungselement neben dem hohlen Kern wenigstens eine Kerbe entlang seines äußeren Umfangs auf, wobei sich die Kerbe bevorzugt über den gesamten Umfang erstreckt, jedoch auch eine Teilumfangskerbe möglich ist. Durch den hohlen Kern, der sich beispielsweise konzentrisch zur Achse erstrecken kann, kann eine signifikant höhere Dauerfestigkeit des Verbindungselements erreicht werden, weil sich das Widerstandsmoment im Vergleich zu jenem der bekannten Verbindungselemente erheblich erhöht. Dadurch kann bei identischer gegebener Versagenslast eine wesentlich höhere Dauerfestigkeit erreicht werden. Mit einer Kerbe kann die Versagenslast exakt eingestellt werden, da die Kerbe eine entsprechende Querschnittsschwächung darstellt und eine Kerbwirkung erzeugt. Der Querschnittsform der Kerbe kann eckig und/oder rund sein.

Die Kombination aus hohlem Kern und Kerbe bietet damit den Vorteil einer sehr exakten Einstellung der maximal möglich übertragbaren Kräfte und damit einer vordefinierten Versagenslast, bei welcher die Verbindung durch Versagen des Verbindungselementes aufgehoben wird.

Die Bauteilverbindung kann als vorgespannte oder als nicht vorgespannte Verbindung ausgeführt sein. Bei einer vorgespannten Ausführung sind verschiedene Varianten möglich, wie die Vorspannung aufgebracht wird, zum Beispiel mittels einer Schraubverbindung oder einer Steckverbindung mit Konterelement. Bei einer Schraubverbindung sind verschiedene Antriebe am Verbindungselement und/oder an einem Konterelement möglich, wie Außenantriebe, zum Beispiel Außensechskant, oder Innenantriebe, beispielsweise mit Innensechskant oder mit einer Sternform.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform weist das Verbindungselement einen zylinderförmigen, sich innerhalb der Bohrung durch das erste Bauteil und das zweite Bauteil erstreckenden Schaft auf. Ein solcher Schaft ist besonders leicht herstellbar und kann leicht beispielsweise durch eine entsprechend kreisrunde Bohrung in den Bauteilen eingeführt werden.

Gemäß einer ersten Ausführungsform ist der hohle Kern innerhalb des Verbindungselementes als sich entlang der Achse erstreckende Blindbohrung ausgeführt. Dabei kann beispielsweise ein ein Gewinde tragender Bereich des Verbindungselementes ohne Kern, das heißt massiv ausgeführt sein.

Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist der Kern als Durchgangsbohrung durch das Verbindungselement ausgeführt. Damit kann ein besonders einheitliches Widerstandsmoment entlang der Achse erreicht werden.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der beiden Ausführungen sind im hohlen Kern wenigstens zwei oder mehr Füllelemente, insbesondere in Form von vollzylindrischen Elementen angeordnet, deren Erstreckung in Richtung der Längsachse betrachtet im Bereich der Kerben endet. Der so aufgefüllte Kern weist im Bereich der Scherebene eine Trennebene auf, wobei gleichzeitig die Steifigkeit des Gesamtsystems höher ist.

Gemäß einer weiteren alternativen Ausführungsform ist das Verbindungselement als 3D-Druckbauteil gefertigt und es sind wenigstens ein, vorzugsweise eine Mehrzahl der Kernen vorgesehen, welche derart im inneren des Verbindungselementes angeordnet und ausgebildet sind, um im Bereich der Kerbe sich in Längsrichtung des Verbindungselementes erstreckende Ausnehmungen bzw. Hohlräume auszubilden. Der hohle Querschnitt wird damit nur im Bereich der eigentlichen Scherfläche bereitgestellt. Der Vorteil einer derartigen Ausbildung besteht in einer erheblichen Versteifung des Verbindungselementes und dadurch ggf. ein kürzerer Weg bis zum Totalversagen. Der einzelne Kern kann zylinderförmig sein, wodurch er sich besonders leicht hersteilen lässt. Jedoch kommen auch andere Querschnittsformen, beispielsweise eine Sternform oder eine Polygonform, in Betracht. Auch eine elliptische Form oder andere Bogenformen sind prinzipiell möglich.

Bevorzugt ist das Verbindungselement als Schraube ausgeführt. Demnach kann das Verbindungselement einen Schraubenkopf und ein Gewinde aufweisen, auf welches ein Konterelement, beispielsweise eine Mutter, aufgeschraubt oder in welches ein Konterelement eingeschraubt ist. Der Schraubenkopf und/oder das Konterelement kann, wie dargelegt, einen entsprechenden Antrieb, Innenantrieb und/oder Außenantrieb, aufweisen.

Bevorzugt sind das erste Bauteil und das zweite Bauteil durch das Verbindungselement entlang der Achse gegeneinander vorgespannt. Beispielsweise bei Gestaltung des Verbindungselementes als Schraube wird diese vorzugsweise mit einem vorgegebenen Anzugsmoment montiert. Dadurch kann eine Versagenslast exakt eingestellt werden.

Insbesondere weist das Verbindungselement im Bereich wenigstens einer Schnittstelle zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil eine Kerbe entlang seines äußeren Umfangs auf. Die Kerbe erstreckt sich dabei insbesondere wenigstens teilweise, vorzugsweise vollständig in Umfangsrichtung um die Achse des Verbindungselementes. Die Anordnung und Ausrichtung der Kerbe erfolgt dabei vorzugsweise in einer Ebene, welche senkrecht zu einer durch die Achse des Verbindungselementes und einer Senkrechten zu dieser beschreibbaren Ebene ausgerichtet ist.

Die Erfindung ist sowohl bei einschnittigen Bauteilverbindungen wie auch bei mehrschnittigen Bauteilverbindung anwendbar. Bei einer einschnittigen Verbindung gibt es eine einzige Schnittstelle zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil. Bei mehrschnittigen Verbindungen gibt es wenigstens zwei Schnittstellen zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil. Selbstverständlich können auch mehr als zwei Bauteile mit dem Verbindungselement miteinander verbunden sein, mit einer entsprechend erhöhten Anzahl von Schnittstellen zwischen den Bauteilen.

Wenn mehrere Bauteilschnittstellen vorgesehen sind, so ist bevorzugt je Schnittstelle wenigstens eine entsprechende Kerbe am äußeren Umfang des Verbindungselements vorgesehen, die vorteilhaft unmittelbar im Bereich der Schnittstelle positioniert ist.

Besonders vorteilhaft einsetzbar sind derartige Bauteilverbindungen in Verbindungen in Schienenfahrzeugkupplungen, bei welchen bei Überschreitung einer vordefinierten Last ein gezieltes Versagen des Verbindungselementes herbeigeführt werden soll. Eine erfindungsgemäße Schienenfahrzeugkupplung weist daher wenigstens eine formschlüssige Bauteilverbindung der dargestellten Art auf. Besonders vorteilhaft ist der Einsatz derartiger Verbindungelemente in einer Energieverzehrvorrichtung einer Schienenfahrzeugkupplung und/oder der Anlenkung bzw. Abstützung an einem Wagenkasten.

Erfindungsgemäß erfolgt die Auslegung einer formschlüssigen Bauteilverbindung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12 auf eine vordefinierte Versagenslast als Funktion der Dimensionierung des hohlen Kerns und zumindest einer der nachfolgenden Parameter oder der Gruppe von Parametern:

- der Anzahl der Kerben

- der Anordnung der einzelnen Kerbe

- der Dimensionierung der einzelnen Kerbe

Insbesondere durch die Art und Anordnung der Kerben kann die maximal zulässige Kraft bis zum Versagen innerhalb der Verbindung örtlich gezielt eingestellt werden. Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und den Figuren exemplarisch erläutert werden.

Figur 1a zeigt beispielhaft eine erste Ausführungsform einer formschlüssigen Bauteilverbindung;

Figur 1b zeigt beispielhaft eine zweite Ausführungsform einer formschlüssigen Bauteilverbindung;

Figur 2 zeigt eine Weiterbildung einer formschlüssigen Bauteilverbindung gemäß Figur 1a;

Figur 3 zeigt beispielhaft eine weitere Ausführungsform einer formschlüssigen Bauteilverbindung;

Figur 4 zeigt beispielhaft eine Anwendung einer erfindungsgemäßen formschlüssigen Verbindung in einer Schienenfahrzeugkupplung.

In den Figuren 1a und 1b ist eine erfindungsgemäße formschlüssige Bauteilverbindung gezeigt, die beispielsweise Bestandteil einer Energieverzehrvorrichtung einer Schienenfahrzeugkupplung ist. Die formschlüssige Bauteilverbindung weist wenigstens ein erstes Bauteil 1 und wenigstens ein zweites Bauteil 2 auf. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Bauteilverbindung zweischnittig mit einer ersten Schnittstelle I und einer zweiten Schnittstelle II ausgeführt. Dies ist jedoch nicht zwingend.

Durch die beiden Bauteile 1, 2 ist eine Bohrung 4 eingebracht, die sich entlang der Achse X erstreckt. In die Bohrung 4 ist ein Verbindungselement 3 eingesteckt, das sich im gezeigten Ausführungsbeispiel, jedoch nicht zwingend, über beide axiale Enden der Bohrung 4 hinaus erstreckt. Alternativ könnte beispielsweise das Verbindungselement 3 auch in eines der Bauteile 1, 2 eingeschraubt sein oder anderweitig in dem Bauteil 1, 2 befestigt sein, beispielsweise mit einer formschlüssigen und/oder reibschlüssigen Verbindung. Das Verbindungselement 3 ist durch eine Erstreckung in Längsrichtung charakterisiert und weist einen hohlen Kern 5 auf, der sich in der Verbindungssituation betrachtet entlang der Achse X erstreckt. Die Erstreckung erfolgt damit auch in Längsrichtung des Verbindungselementes 3. Der hohle Kern 5 erstreckt sich dabei in Richtung der Längsachse und auch der Achse X.

Der hohle Kern 5 kann beispielsweise als Blindbohrung wie in Figur 1a, oder als Durchgangsdurchbohrung, wie in Figur 1b dargestellt, ausgeführt sein.

Das Verbindungselement 3 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel als Schraube ausgeführt, die einen am ersten Bauteil 1 anliegenden Schraubenkopf 7, einen sich daran anschließenden Schaft 8 und ein Außengewinde 9 aufweist, auf welches eine sich über eine Unterlegscheibe 11 ebenfalls am ersten Bauteil 1 abstützende Mutter 10 aufgeschraubt ist. Wenn eine einschnittige Verbindung vorgesehen wäre, würde sich die Mutter 10 entsprechend am zweiten Bauteil 2 abstützen. Das Verbindungselement 3 ist durch eine Erstreckung in Längsrichtung charakterisiert, wobei die Längsachse mit der Achse X zusammenfällt.

Je Schnittstelle I, II ist in der äußeren Oberfläche des Schafts 8 eine Kerbe 6 vorgesehen, die sich entlang des Umfangs des Verbindungselements 3 erstreckt und im gezeigten Ausführungsbeispiel exakt im Bereich der jeweiligen Schnittstelle I, II positioniert ist. Es könnte jedoch auch eine andere Positionierung gewählt sein.

Die Kerbe 6 kann einen runden und/oder winkligen Querschnitt aufweisen.

Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist eine weitere Kerbe 6 unterhalb des Schraubenkopfes 7 vorgesehen, dies ist jedoch nicht zwingend. Ferner könnte zusätzlich auch im Bereich der Mutter 10 beziehungsweise der Unterlegscheibe 11 an der entsprechenden Schnittstelle zum Bauteil 1 eine Kerbe 6 vorgesehen ein. Figur 2 zeigt eine Weiterbildung, wie diese für die Ausführungen gemäß der Figuren 1a und 1b zum Einsatz gelangen kann. Figur 2 zeigt insbesondere eine Weiterbildung der Ausführung gemäß Figur 1a. Bei dieser wird der als Blindbohrung gemäß Figur 1a ausgebildete hohle Kern 5 mittels Füllelementen 18.1 bis 18.3, im dargestellten Fall in Form von vollzylindrischen Elementen, aufgefüllt. Diese sind derart bemessen und ausgelegt, dass im eingelegten Zustand deren Erstreckung entlang der Achse X betrachtet jeweils im Bereich der Kerben 6 endet. Die Endbereiche der einzelnen Füllelemente 18.1 bis 18.3 beschreiben dabei sogenannte Trennbereiche des Verbindungselementes 3 im hohlen Kern 5, welche mit den Scherbereichen zusammenfallen. Bei dieser Ausführung wird der Vorteil des Vollprofils des Verbindungselementes insbesondere in Form höherer Steifigkeit mit einem gezielten einfachen Ansprechen der Trennbereiche kombiniert.

Die Ausbildung gemäß Figur 2 ist auch für Durchgangsbohrungen geeignet, wobei in diesem Fall die Durchgangsbohrung in Längsrichtung ihres Verlaufes betrachtet durch unterschiedliche Querschnittsbereiche charakterisiert ist, um eine Abstützung der Füllelemente 18.1 bis 18.3, insbesondere der vollzylindrischen Elemente zu gewährleisten und ein Herausfallen zu verhindern.

Figur 3 zeigt beispielhaft anhand einer Verbindungssituation, wie in den Figuren 1 und 2 dargestellt eine alternative Ausführung eines Verbindungselementes 3 als 3D-Druckbauteil. Bei diesem ist ein oder sind mehrere hohle Kerne 5 vorgesehen, welche innerhalb des Verbindungselementes 3 angeordnet sind, wobei die Anordnung und Ausrichtung derart erfolgt, dass diese in Längsrichtung des Verbindungselementes 3 betrachtet im Bereich der Kerben 6 angeordnet sind und sich als in Längsrichtung über einen Teilbereich der Erstreckung des Verbindungselementes 3 erstreckende Ausnehmung bzw. Hohlraum 12.1 bis 12.3 ausgebildet sind. Der Querschnitt des einzelnen Hohlraumes entspricht quer zur Längsrichtung des Verbindungselementes 3 betrachtet hinsichtlich der gewählten Grundgeometrie vorzugsweise der des Verbindungselementes, allerdings mit geringeren Abmessungen.

Figur 4 zeigt beispielhaft eine Anwendung einer erfindungsgemäßen Bauteilverbindung in einer Schienenfahrzeugkupplung 13. Diese umfasst einen Kupplungskopf 14 und eine mit dieser verbundene Kupplungsstange 15 mit integrierter Energieverzehreinrichtung 17, wobei zum Verbinden zweier Bauteile dieser eine erfindungsgemäße Bauteilverbindung vorgesehen ist, insbesondere Verbindungselemente 3. Die Anbindung des Kupplungskopfes 14 mit Kupplungsstange 15 am Wagenkasten erfolgt über eine Anlenkung 16.

Eine weitere, hier im Einzelnen nicht dargestellte Möglichkeit besteht darin, die erfindungsgemäße Bauteilverbindung auch in einer Anlenkung 16 am Wagenkasten einzusetzen, beispielsweise in Form von Abscherbolzen zwischen Gelenk und Lager oder Lager und Wagenkasten etc.

Bezugszeichenliste

1 erstes Bauteil

2 zweites Bauteil

3 Verbindungselement

4 Bohrung

5 Kern

6 Kerbe

7 Schraubenkopf

8 Schaft

9 Außengewinde

10 Mutter 11 Unterlegscheibe

12.1 , 12.2, 12.3 Hohlraum

13 Schienenfahrzeugkupplung

14 Kupplungskopf

15 Kupplungsstange

16 Anlenkung, Abstützung 17 Energieverzehreinrichtung

18.1 , 18.2, 18.3 Füllelement X Achse

I Schnittstelle

II Schnittstelle