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TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Fahrzeug mit einer bei fahrendem Fahrzeug überströmten Außenhaut, wobei eine Kontur der Außenhaut veränderbar ist, um im Bedarfsfall eine Strömungsabrisskante auszubilden.
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Für den Begriff Strömungsabrisskante wird in der vorliegenden Anmeldung auch die Kurzform Abrisskante verwendet, ohne dass hiermit auf irgendetwas anderes hingewiesen wird.
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STAND DER TECHNIK
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Moderne Schienenfahrzeuge mit einem hohen Profil, wie beispielsweise Doppelstockzüge, und/oder mit hohen Fahrgeschwindigkeiten, werden zwecks Radlastverringerung vermehrt in Leichtbauweise gefertigt. Aus der Kombination der Faktoren hoch, leicht und schnell resultiert eine erhöhte Seitenwindempfindlichkeit. Eine seitliche Komponente der Anströmung infolge von Seitenwind führt zu einer ungünstigen Druckverteilung im oberen Teil des Fahrzeugs sowie an der Fahrzeugnase. Die hieraus resultierende einseitige Auftriebskraft und das damit verbundene Rollmoment können zu einer unerwünschten Entlastung auf einer Seite des Fahrzeugs führen. Die maximale Radentlastung ist jedoch durch internationale Normen und Betriebsvorschriften begrenzt und zählt zu den Zulassungsbedingungen von Schienenfahrzeugen.
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Zur Verringerung der Seitenempfindlichkeit ist es bekannt, insbesondere am Triebwagenkopf Strömungsabrisskanten und/oder -rillen anzubringen, die einen Strömungsabriss der seitlichen Komponente der Anströmung provozieren. Solche Vorrichtungen beeinflussen jedoch die Überströmung des Fahrzeugs auch bei günstigen Anströmverhältnissen ohne Seitenwind und haben dann negative Auswirkungen, wie eine Erhöhung des Luftwiderstands und des Lärmpegels.
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Es ist daher von Interesse, zwischen dem Zustand des Schienenfahrzeugs mit einer Strömungsabrisskannte zur Reduzierung der Seitenwindempfindlichkeit bei Inkaufnahme erhöhter Lärmemissionen sowie erhöhtem Strömungswiderstand und dem Zustand des Schienenfahrzeugs mit höherer Seitenwindempfindlichkeit aber geringerer Lärmemission und geringerem Strömungswiderstand je nach Anströmverhältnissen wechseln zu können.
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Ein Schienenfahrzeug für hohe Fahrgeschwindigkeiten bis 300 km/h mit im Bedarfsfall ausbildbaren Strömungsabrisskanten ist aus der
DE 25 54 488 C3 bekannt. Die Strömungsabrisskanten sind an Elementen vorgesehen, die aus einer umströmten Außenhaut des Fahrzeugs senkrecht zu deren Kontur ausfahrbar oder mittels einer Gelenkverbindung herausklappbar sind. Die Elemente sind auf beiden Seiten des Fahrzeugs, insbesondere beiderseits des Bugs, symmetrisch zu dessen Längsmittelebene vorgesehen. Die Elemente werden durch vorgespannte Federn in ihrer eingefahrenen Lage gehalten. Diese Federn bestimmten den Schwellwert, in dem das Element in Abhängigkeit von dem über der Außenhaut herrschenden Außendruck ausgefahren bzw. ausgeklappt wird, um die jeweilige Abrisskante auszubilden.
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Das bekannte Fahrzeug ist in Bezug auf die im Bedarfsfall ausbildbare Strömungsabrisskante durch die große Anzahl der dafür vorhandenen Konstruktionselemente aufwändig und wartungsintensiv. Außerdem stellt ein krümmungsunstetiger Übergang zwischen der angrenzenden Außenhaut und dem zur Ausbildung der Abrisskante ausgefahrenen Element eine zusätzliche Strömungswiderstands- und Lärmquelle dar.
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Aus der
EP 2 383 161 B1 ist ein Fahrzeugkopf für ein Schienenfahrzeug für den Hochgeschwindigkeitsverkehr mit reduzierter Seitenempfindlichkeit bekannt. Die Kontur einer überströmten Außenhaut des Fahrzeugkopfs ist in Querrichtung zu seiner Längsmittelebene zur permanenten Ausbildung von Strömungsabrisskanten ausgeformt.
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AUFGABE DER ERFINDUNG
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Fahrzeug mit einer im Bedarfsfall ausbildbaren Strömungsabrisskante auszubilden, das eine besonders geringe Komplexität der Maßnahmen zur bedarfsweisen Ausbildung der Strömungsabrisskante aufweist, um die Herstellungs- und Wartungskosten des Fahrzeugs zu minimieren.
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LÖSUNG
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Fahrzeug mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Die abhängigen Patentansprüche definieren bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Fahrzeugs.
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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Bei einem erfindungsgemäßen Fahrzeug mit einer bei fahrendem Fahrzeug überströmten Außenhaut, wobei eine Kontur der Außenhaut veränderbar ist, um im Bedarfsfall eine Strömungsabrisskante auszubilden, weist ein verformbares Segment der Außenhaut zwei stabile Verformungszustände auf und ist von einem ersten in einen zweiten dieser beiden Verformungsstände überführbar, um die Strömungsabrisskante auszubilden. Anders gesagt weist das erfindungsgemäße Fahrzeug eine in seine Außenhaut integrierte Vorrichtung zur bedarfsweisen Ausbildung der Strömungsabrisskante auf. Ein typischerweise gekrümmtes verformbares Segment der Außenhaut des Fahrzeugs wird hinsichtlich seiner Steifigkeit so ausgelegt, dass es zwei stabile Verformungszustände aufweist. In einem der beiden Verformungszustände ist es Teil der geschlossenen Außenhaut, ohne die Strömungsabrisskante auszubilden. In dem anderen seiner Verformungszustände beult das verformbare Segment aus, so dass es mit einer Abschlusskante über die stetig fortgesetzte Kontur der angrenzenden Segmente der Außenhaut übersteht und die gewünschte Abrisskante ausbildet. Alternativ beult das verformbare Segment in dem anderen seiner Verformungszustände ein, so dass es zwischen seinen Abschlusskanten gegenüber der stetig fortgesetzten Kontur der angrenzenden Segmente der Außenhaut zurückspringt und so die gewünschte Abrisskante ausbildet. Durch dieses Konzept wird einerseits bei nicht ausgebildeter Abrisskante eine stetig gekrümmte Kontur der Außenhaut mit entsprechend geringem Strömungswiderstand und geringer Lärmentwicklung erreicht. Andererseits werden die für die Ausbildung der Abrisskante im Bedarfsfall erforderlichen Kräfte minimal gehalten. Insbesondere sind keine Haltekräfte oder Sperrvorrichtungen für den Verformungszustand notwendig, in dem das verformbare Segment die Strömungsabrisskante im Bedarfsfall ausbildet, was die Betriebssicherheit des erfindungsgemäßen Fahrzeugs erheblich steigert.
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Konkret kann das verformbare Segment der Außenhaut zur Ausbildung der Abrisskante in dem zweiten Verformungszustand mit seiner Abschlusskante von einer Anschlusskante eines angrenzenden Segments der Außenhaut abstehen. Dabei kann ein Übergang zwischen der Abschlusskante und der Anschlusskante mit einer elastischen Abdeckung abgedeckt sein. Diese elastische Abdeckung verhindert das Eindringen von Verunreinigungen hinter das verformbare Segment bei Ausbildung der Abrisskante in seinem zweiten Verformungszustand. Zudem wird eine unnötige zusätzliche Strömungswiderstandserhöhung und Lärmentwicklung im Bereich hinter der Abrisskante vermieden.
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Die elastische Abdeckung kann von der Abschlusskante aus betrachtet mit Abstand hinter der Abschlusskante an dem angrenzenden Segment der Außenhaut befestigt sein. So muss die elastische Abdeckung den Abstand, über den das verformbare Segment der Außenhaut in dem zweiten Verformungszustand mit seiner Abschlusskante von der Abschlusskante des angrenzenden Segments der Außenhaut absteht, nicht allein durch Dehnung überbrücken. Vielmehr kann die elastische Außenhaut gegenüber dem an die Anschlusskante angrenzenden Bereich des angrenzenden Segments auch anders ausgerichtet werden.
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Das verformbare Segment kann in einem längs der Strömungsabrisskante verlaufenden Bereich an einer tragenden Struktur des Fahrzeugs befestigt sein. Hierbei ist mit Befestigen das tatsächliche Festlegen des entsprechenden Bereichs des verformbaren Elements an der tragenden Struktur gemeint. Da das verformbare Segment jedoch insgesamt verformbar ist, steht dies der bedarfsweisen Ausbildung der Abrisskante nicht entgegen. Im Gegenteil wird durch die Befestigung des verformbaren Segments in dem längs der Strömungsabrisskante verlaufenden Bereich das verformbare Segment sicher gehalten und zwar unabhängig davon, ob es sich in seinem ersten oder seinem zweiten Verformungszustand befindet, und damit unabhängig davon, ob es aktuell die Abrisskante ausbildet oder nicht.
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Alternativ kann das verformbare Segment in zwei in einem Abstand längs der Strömungsabrisskante zueinander verlaufenden Bereichen um längs der Strömungsabrisskante verlaufende Schwenkachsen verschwenkbar an der tragenden Struktur des Fahrzeugs gelagert sein. Diese Verschwenkbarkeit kann durch mehrteilige Scharniere oder Gelenke realisiert sein. Vorzugsweise wird sie durch Festkörpergelenke realisiert.
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Das um zwei parallele Schwenkachsen verschwenkbar an der tragenden Struktur gelagerte verformbare Segment befindet sich in seinen beiden Verformungszuständen im Bereich zwischen den beiden Schwenkachsen typischerweise auf unterschiedlichen Seiten einer durch die beiden Schwenkachsen aufgespannten Ebene. Dabei kann die Abrisskante bei in Bezug auf die angrenzenden Bereiche der Außenhaut durch das zwischen den Schwenkachsen eingebeulte oder ausgebeulte verformbare Segment ausgebildet werden. Die Abrisskante kann aber auch durch eine Abschlusskante ausgebildet sein, mit der das verformbare Segment über eine der beiden Schwenkachsen übersteht. Es können auch zwei Abrisskanten durch zwei solcher Abschlusskanten jenseits beider Schwenkachsen ausgebildet werden.
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Das verformbare Segment kann beispielsweise aus einem faserverstärkten Verbundwerkstoff oder einem Formgedächtnismaterial oder aus Federstahl ausgebildet sein. Wenn das verformbare Segment aus einem Formgedächtnismaterial ausgebildet ist, kann es damit auch schon einen Teil eines Aktuators ausbilden, der ansteuerbar ist, um das verformbare Segment zwischen seinem ersten und seinem zweiten Verformungszustand zu überführen. Dann ist nur noch eine Heizeinrichtung zu ergänzen, um diesen Aktuator in das verformbare Segment zu integrieren. Ansonsten kann eine Integration des Aktuators in das verformbare Segment z. B. auch eine piezoelektrische Folie umfassen. Grundsätzlich kann der Aktuator mindestens eines der folgenden Elemente aufweisen: einen Linearantrieb, ein Piezoelement, eine Formgedächtnislegierung, einen elektromagnetischen Aktuator, einen pneumatischen Aktuator, einen hydraulischen Aktuator oder einen CNT-Aktuator.
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Grundsätzlich kann das verformbare Segment aber auch so in die Außenhaut des erfindungsgemäßen Fahrzeugs integriert sein, dass die von ihm ausgebildete Strömungsabrisskante einen Strömungsabriss bei Queranströmung des Fahrzeugs bewirkt und dass das verformbare Segment durch einen bei Queranströmung vor Ausbildung der Strömungsabrisskante an der Außenhaut bewirkten Unterdruck in seinen zweiten Verformungszustand überführt wird. Dann erfolgt diese Überführung automatisch, ohne dass hierfür ein Aktuator erforderlich ist oder betätigt werden müsste. Allerdings sind dann immer noch Maßnahmen zum Überführen des verformbaren Segments zurück in seinen ersten Verformungszustand zu ergreifen.
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Das erfindungsgemäße Fahrzeug ist insbesondere ein Hochgeschwindigkeitsschienenfahrzeug, wobei die Abrisskante an einem Kopf des Hochgeschwindigkeitsschienenfahrzeugs ausbildbar ist. Typischerweise sind an dem Kopf auf beiden Seiten dessen Längsmittelebene Strömungsabrisskanten erfindungsgemäß ausbildbar.
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Die vorliegende Erfindung ist aber auch auf jegliche andere Fahrzeuge anwendbar, bei denen es von Interesse ist, eine Strömungsabrisskante nur im Bedarfsfall auszubilden. Eine solche Strömungsabrisskante kann auch quer zu der Längsmittelebene des jeweiligen Fahrzeugs verlaufen.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Ohne dass hierdurch der Gegenstand der beigefügten Patentansprüche verändert wird, gilt hinsichtlich des Offenbarungsgehalts der ursprünglichen Anmeldungsunterlagen und des Patents Folgendes: weitere Merkmale sind den Zeichnungen – insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung – zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen.
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Die in den Patentansprüchen und der Beschreibung genannten Merkmale sind bezüglich ihrer Anzahl so zu verstehen, dass genau diese Anzahl oder eine größere Anzahl als die genannte Anzahl vorhanden ist, ohne dass es einer expliziten Verwendung des Adverbs "mindestens" bedarf. Wenn also beispielsweise von einem Element die Rede ist, ist dies so zu verstehen, dass genau ein Element, zwei Elemente oder mehr Elemente vorhanden sind. Diese Merkmale können durch andere Merkmale ergänzt werden oder die einzigen Merkmale sein, die der jeweilige Gegenstand aufweist.
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Die in den Patentansprüchen enthaltenen Bezugszeichen stellen keine Beschränkung des Umfangs der durch die Patentansprüche geschützten Gegenstände dar. Sie dienen lediglich dem Zweck, die Patentansprüche leichter verständlich zu machen.
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KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter bevorzugter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben.
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1 ist eine Seitenansicht eines Kopfs eines Hochgeschwindigkeitsschienenfahrzeugs als Beispiel für ein erfindungsgemäßes Fahrzeug.
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2 zeigt den Kopf des Hochgeschwindigkeitsschienenfahrzeugs gemäß 1 in einer Ansicht von vorne.
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3 ist eine perspektivische Ansicht eines Details einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fahrzeugs und illustriert die bedarfsweise Ausbildung einer Strömungsabrisskante.
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4 ist ein Querschnitt durch das Detail gemäß 3.
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5 ist ein 4 entsprechender Querschnitt durch ein Detail einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fahrzeugs.
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6 ist ein den 4 und 5 entsprechender Schnitt durch eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fahrzeugs; und
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7 ist ein den 4 bis 6 entsprechender Querschnitt durch ein Detail einer vierten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fahrzeugs.
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FIGURENBESCHREIBUNG
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Das in den 1 und 2 illustrierte Hochgeschwindigkeitsschienenfahrzeug 1 ist ein Beispiel für ein Fahrzeug 2, bei dem es wünschenswert ist, bei auftretendem Seitenwind eine Kontur einer bei der Fahrt des Fahrzeugs 2 überströmte Außenhaut 3 des Schienenfahrzeugs so zu verändern, dass in mindestens einem der eingezeichneten Bereiche 4 eine Strömungsabrisskante ausgebildet wird, um die Queranströmung abreißen zu lassen. Damit wird verhindert, dass die Queranströmung zu einer unerwünschten Radentlastung auf einer Seite des Fahrzeugs 2 führt. Bei günstiger Anströmung des Schienenfahrzeugs nur von vorne ist diese Strömungsabrisskante jedoch unerwünscht, weil sie mit einer Erhöhung des Strömungswiderstands und einer Lärmentwicklung verbunden ist. Bei dem erfindungsgemäßen Fahrzeug 2 ist die Kontur der Außenhaut 3 daher so ausgebildet, dass es möglich ist, die Abrisskante nur im Bedarfsfall auszubilden. Wie dies konkret realisiert sein kann, wird anhand der folgenden Figuren erläutert.
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Bei der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fahrzeugs 2 gemäß den 3 und 4 ist ein Segment 5 der Außenhaut 3 in dem Bereich 4 verformbar ausgebildet. Konkret weist das verformbare Segment 5 zwei stabile Verformungszustände auf. In 4 ist mit gestrichelter Linie 6 der Verlauf der Kontur der Außenhaut 3 dargestellt, wenn sich das verformbare Segment 5 in seinem ersten Verformungszustand befindet. Dann ist in dem Bereich 4 keine Abrisskante ausgebildet. Mit durchgezogenen Linien zeigt 4 das verformbare Segment 5 in seinem zweiten Verformungszustand, in dem es mit einer Abschlusskante 7 von einer Anschlusskante 8 eines angrenzenden Segments 9 der Außenhaut 3 absteht. Mit dieser Abschlusskante 7 bildet das verformbare Segment 5 in seinem zweiten Verformungszustand die Abrisskante 10 aus. An ein auf der gegenüberliegenden Seite weiteres angrenzendes Segment 11 der Außenhaut 3 schließt das verformbare Segment 5 in seinen beiden Verformungszuständen stetig an Konkret ist das verformbare Segment 5 in einem Bereich 12, der an das weitere angrenzende Segment 11 angrenzt, starr an einer tragenden Struktur 13 des Fahrzeugs 2 gelagert. Beide Verformungszustände des verformbaren Segments 5 sind stabil, d. h. das verformbare Segment 5 verbleibt von allein in seinem jeweiligen Verformungszustand, soweit keine größeren äußeren Kräfte auf das verformbare Segment 5 einwirken. In seinem zweiten Verformungszustand verbleibt das verformbare Segment 5 auch unter Einwirkung der im Betrieb des Fahrzeugs 2 auf die Außenhaut einwirkenden aerodynamischen Kräfte, d. h. auch bei Seitenwind und resultierender Queranströmung des Fahrzeugs 2. Um das verformbare Segment 5 zwischen seinen beiden Verformungszuständen zu überführen, ist hier ein Aktuator 14 vorgesehen. Weiterhin zeigen die 3 und 4, dass ein Übergang zwischen der Abschlusskante 7 des verformbaren Segments 5 zu dem angrenzenden Segment 9 durch eine elastische Abdeckung 15 verstetigt ist, die von der Abschlusskante 7 aus betrachtet in einem Bereich 16 jenseits der Abschlusskante 8 an dem angrenzenden Segment 9 befestigt ist.
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Bei der in 5 dargestellten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fahrzeugs 2 ist das verformbare Segment 5 der Außenhaut 3 in einem zentralen Bereich 12 zwischen zwei Abschlusskanten 7 an der tragenden Struktur 13 befestigt. In seinem mit durchgezogenen Linien dargestellten zweiten Verformungszustand bildet das verformbare Segment 5 so zwei Abrisskanten 10 mit seinen beiden von den Anschlusskanten 8 der angrenzenden Segmente 9 und 11 abstehende Abschlusskanten 7 aus.
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Zwei Abrisskanten 10 bildet auch das verformbare Segment bei der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fahrzeugs 2 gemäß 6 aus. Hier ist das verformbare Segment 5 jedoch nirgends starr an der tragenden Struktur des Fahrzeugs 2 befestigt. Vielmehr ist es in zwei Gelenken 17 verschwenkbar an der tragenden Struktur gelagert. Die Beiden Gelenke 17 definieren parallel zueinander und längs der Abschlusskanten 7 verlaufende Schwenkachsen 18. Das verformbare Segment 5 befindet sich in seinen beiden Verformungszuständen im Bereich zwischen den beiden Gelenken 17 auf unterschiedlichen Seiten einer von den beiden Schwenkachsen 18 aufgespannten Ebene. 6 zeigt zwei Aktuatoren 14, um das verformbare Segment 5 zwischen seinen beiden Verformungszuständen zu überführen. Bei der in 6 gezeigten Ausführungsform wäre jedoch praktisch nur einer dieser beiden Aktuatoren erforderlich, denn dieser eine Aktuator 14 müsste nicht einmal zwischen den beiden Gelenken 14 an dem Segment 5 angreifen, weil sich das Segment 5, aufgrund seiner gelenkigen Lagerung an der tragenden Struktur 13, nur insgesamt zwischen seinen beiden Verformungszuständen überführen lässt. Bei der Ausführungsform gemäß 5 kann es hingegen auch weitere Verformungszustände geben, in denen das verformbare Segment 5 nur eine der beiden Abrisskanten 10 ausbildet. Deshalb greift der Aktuator 14 gemäß 5 auf beiden Seiten des Bereichs 12 an, in dem das Segment 5 an der tragenden Struktur 13 befestigt ist.
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Die Ausführungsform des Fahrzeugs 2 gemäß 7 weist ein verformbares Segment 5 auf, das im Bereich seiner beiden Abschlusskanten 7 über Festkörpergelenke 19 an der tragenden Struktur 13 gelagert ist. Die Abschlusskanten 7 fallen daher immer mit den Anschlusskanten 8 der angrenzenden Segmente 9 und 11 der Außenhaut zusammen. Dennoch wird durch das in 7 dargestellte eingebeulte verformbare Segment 5 im Bereich jeder Abschlusskante 7 eine Strömungsabrisskante 10 ausgebildet, indem hier eine starke Abweichung der Kontur der Außenhaut 3 von dem mit der gestrichelten Linie 6 dargestellten stetigen Verlauf ausgebildet ist. Weiterhin skizziert 7 einen in das verformbare Segment 5 integrierten Aktuator 14, beispielsweise in Form eines folien- oder schichtförmigen Piezoelements.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Hochgeschwindigkeitsschienenfahrzeug
- 2
- Fahrzeug
- 3
- Außenhaut
- 4
- Bereich
- 5
- verformbares Segment
- 6
- gestrichelte Linie
- 7
- Abschlusskante
- 8
- Anschlusskante
- 9
- angrenzendes Segment
- 10
- Strömungsabrisskante
- 11
- angrenzendes Segment
- 12
- Bereich
- 13
- tragende Struktur
- 14
- Aktuator
- 15
- elastische Abdeckung
- 16
- Bereich
- 17
- Gelenk
- 18
- Schwenkachse
- 19
- Festkörpergelenk
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 2554488 C3 [0006]
- EP 2383161 B1 [0008]
