Puffer (Eisenbahn)
Güterwagen, Lokomotiven und konventionelle Personenwagen sind im UIC-Bereich mit Seitenpuffern und einer dazwischen angeordneten Schraubenkupplung bestückt. Wählt man die positive Richtung längs der Zugachse, fliesst der Impuls in den Puffern vorwärts und in der Schraubenkupplung rückwärts. Puffer sind mit Federn und Dämpfern bestückt, um Rangierstösse aufzufangen und um ein Schwingen des ganzen Zuges während der Fahrt zu verhindern. Oft erzeugt die Pufferfeder selber über eine innere Reibung eine dämpfende Wirkung.
Aufgabe
Die Puffer schützen das Fahrzeug beim Rangieren und bei Kuppeln vor zu starken Impulsströmen (Kräften). Während der Fahrt leiten die Puffer den Impulsstrom zur Lokomotive oder von dieser weg durch den ganzen Zug nach vorn. Dies ist bei folgenden Bewegungen der Fall
- Lok bremst den Zug ab: Impuls fliesst aus den Wagen über die Lok an die Erde ab.
- Lok schiebt den Zug rückwärts an: Impuls wird von der Lok aus der Erde gepumpt und über die Puffer an die Wagen abgeleitet.
- Talfahrt: Impuls fliesst aus dem Gravitationsfeld an die Wagen, von dort über die Puffer nach vorn zur Lok und dort ans Trassee weg.
- Anfahren im Schiebebetrieb: Impuls wird von der Lok aus der Erde in die vorgestellten Wagen gepumpt.
- Bergfahrt im Schiebebetrieb: Impuls, der von der schiebende Lok aus der Erde gepumpt wird, fliesst über die Puffer nach vorn zu den Wagen und von dort ans Gravitationsfeld weg.
Die Puffer sollten im unteren Hubbereich möglichst weich sein, damit bei der Kurvenfahrt nicht zu starke Schienenkräfte auftreten.
Typen
Die europäischen Eisenbahngesellschaften haben für die Puffer einheitliche Normen festgelegt:
| Güterwagen: Puffer mit 105 mm Hub | UIC 526-1 VE 1998-07 |
| Güterwagen: Puffer mit 75 mm Hub | UIC 526-2 VE 1981-01 |
| Güterwagen: Puffer mit 130 und 150 mm Hub | UIC 526-3 V 1998-07 |
| Stoßeinrichtungen der Reisezugwagen | UIC 528 VE 1991-01 |
Als Feder-Dämpfer-Element sind unterschiedliche Syteme zugelassen. Dazu gehören
- Reibfeder
- Elastomerfeder
- hydrodynamische (gashydraulische) Pufffer
In jüngster Zeit sind mehrere Spezialpuffer entwickelt worden. Dazu gehören
- 1g-Puffer von Schwab Verkehrstechnik AG in Schaffhausen
- EST Crashpuffer von Eisenbahn-Systemtechnik Wangen im Allgäu
Modellbildung
Reibfedern zeigen statisch (langsamer Kraftaufbau unter einer Presse) und dynamisch (Auflaufstösse) in etwa das gleiche Verhalten. Das Kraft-Hub-Diagramm hängt von der Vorspannung und Bauart ab. Bei einem Standard-Güterwagenpuffer beträgt die Kraft zu Beginn etwa 10 kN und steigt dann auf dem Hubweg von 105 mm linear auf etwa 600 kN an. Entspannt man den voll eingefahrenen Puffer, sinkt die Kraft von etwa 200 kN auf 3 bis 5 kN ab. Bei der Modellbildung treten die gleichen Schwierigkeiten auf wie bei der Gleitreibung, handelt es sich doch in beiden Fällen um ein Coulombsches Reibungsverhalten.
Elastomerfedern zeigen ein ähnliches Verhalten wie Reibfedern. Ihre Kennlinie verläuft aber progressiv, also nicht nach dem Hookeschen Gesetz. Bei Auflaufstössen kommt eine viskoelastische Dämpfung dazu, die dem statischen Verhalten zu überlagern ist. Die Elastomerfeder wird durch eine nichtlineare Feder, ein nichtlineare viskose Dämpfung und eine belastungsabhängige Coulombsche Reibung mit in Serie geschalteter Feder modelliert.
Hydrodynamische Puffer erzeugen die statische Kennlinie mit Hilfe einer Gasfeder. Um die geforderte Hysterese zu bilden, strömt das Öl beim Einfahren des Puffers über ein Multiplikatorventil. Damit wird der Gasdruck ölseitig vervielfacht. Beim Ausfahren fliesst das Öl über ein einfaches Rückstossventil zurück. So wirkt das Gas direkt auf den Pufferhub. Die dynamische Dämpfung wird mittels einer hubabhängigen Blende erzeugt. In der modellmässigen Nachbildung sollte die Gasfeder polytrop modelliert werden, wobei der Polytropenexponent geschätzt werden muss. Für die hydrodynamische Dämpfung sind neben der Blende auch alle weiteren Strömungsverluste möglichst präzis nachzubilden.