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Die Erfindung betrifft eine Tragvorrichtung zum Übertragen einer auf ein Kupplungselement wirkenden Kraft auf ein spurgebundenes Fahrzeug. Die Tragvorrichtung umfasst ein Aufnahmeelement, welches zur Aufnahme des Kupplungselements ausgebildet ist, und ein Tragelement, welches zum Tragen des Aufnahmeelements ausgebildet ist.
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Grundsätzlich ist es bekannt, mehrere Teile - beispielsweise Wagen oder Fahrzeugeinheiten (bestehend aus mehreren Wagen) - eines spurgebundenen Fahrzeugs miteinander über Kupplungen zu verbinden. Die Kupplungen übertragen Kräfte, die im Wesentlichen in Längsrichtung des spurgebundenen Fahrzeugs ausgerichtet sind. Diese Kräfte werden mittels einer Tragvorrichtung an eine Hauptstruktur (z.B. den Rohbau) des spurgebundenen Fahrzeugs übertragen.
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Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der Erfindung, eine Tragvorrichtung, welche zum Übertragen einer auf das Kupplungselement wirkenden Kraft auf das spurgebundene Fahrzeug vorgesehen ist, zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird durch eine Tragvorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, bei welcher das Tragelement ein Fußelement aufweist, welches zur festen Verbindung mit dem spurgebundenen Fahrzeug ausgebildet ist, wobei das Tragelement ein Beinelement aufweist, welches sich von dem Fußelement hin zu dem Aufnahmeelement mit einem geschwungenen Verlauf erstreckt.
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass bisherige Tragvorrichtungen in Differenzialbauweise zusammengesetzt und verschweißt werden. Ein Nachteil bei einer Tragvorrichtung dieser Art ist die vergleichsweise hohe Fertigungs- und Montagedauer beim Zusammensetzen und Verschweißen der Teile der Tragvorrichtung. Da die Teile in der Regel als Bleche, geformte Bleche und/oder offene oder geschlossene Profile ausgebildet sind, die zu der Tragvorrichtung zusammengesetzt werden, hat die Tragvorrichtung eine vergleichsweise hohe Masse. Des Weiteren bewirkt die Zusammensetzung der Tragvorrichtung aus verhältnismäßig einfach gestalteten Einzelteilen eine ineffiziente Nutzung des vorhandenen Raums.
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Die erfindungsgemäße Lösung behebt diese Probleme, indem sich ein Tragelement der Tragvorrichtung von einem Fußelement, welches zur festen Verbindung mit dem spurgebundenen Fahrzeug ausgebildet ist, mittels eines Beinelements hin zu dem Aufnahmeelement mit einem geschwungenen Verlauf erstreckt.
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Diese erfindungsgemäße Ausbildung des Tragelements nach Art eines geschwungenen Beinelements mit Fuß hat mehrere Vorteile: Zum einen kann der geschwungene Verlauf des Beinelements an die baulichen Gegebenheiten und Randbedingungen angepasst werden. Beispielsweise kann der geschwungene Verlauf derart gewählt werden, dass konstruktiven Elementen des spurgebundenen Fahrzeugs, wie Räder und Achsen oder Einstiegshilfen, ausreichend Raum gewährt wird. Insbesondere kann der geschwungene Verlauf Raum für die Anordnung eines Schiebetritts unterhalb eines Endeinstiegs schaffen. Zum anderen können das Fußelement und das Beinelement in ihrer Form und Ausdehnung (z.B. Dicke) an die Kräfte- oder Verformungsbedingungen unter Auslegungs- bzw. Betriebslasten angepasst sein. Auf diese Weise wird die Masse einer Tragvorrichtung verringert. Des Weiteren hat die erfindungsgemäße Ausbildung des Tragelements den Vorteil, dass Kosten bei der Konstruktion und Montage der Tragvorrichtung reduziert werden können.
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Das spurgebundene Fahrzeug ist vorzugsweise ein Schienenfahrzeug, welches weiter vorzugsweise als Triebzug ausgebildet ist. Weiter vorzugsweise dient das spurgebundene Fahrzeug zur Personenbeförderung im öffentlichen Nah- und/oder Fernverkehr oder für den Gütertransport.
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Das Kupplungselement ist vorzugsweise Teil einer Kupplungsvorrichtung zum Koppeln des spurgebundenen Fahrzeugs mit einem weiteren spurgebundenen Fahrzeug. Beispielsweise dient die Kupplungsvorrichtung zum Koppeln eines Wagens (als spurgebundenes Fahrzeug) mit einem weiteren Wagen (als weiteres spurgebundenes Fahrzeug). Alternativ dient die Kupplungsvorrichtung zum Koppeln einer ersten spurgebundenen Fahrzeugeinheit (bestehend aus mehreren Wagen) mit einer zweiten spurgebundenen Fahrzeugeinheit zu einem Fahrzeugverband.
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Das Fußelement ist vorzugsweise zur festen Verbindung mit einem Wagenkasten des spurgebundenen Fahrzeugs ausgebildet. Der Wagenkasten besteht vorzugsweise aus Aluminium. Weiter vorzugsweise ist das Fußelement zur festen Verbindung mit einem Langträger des Rohbaus ausgebildet. Alternativ oder zusätzlich ist das Fußelement zur festen Verbindung mit einer Ecksäule oder einem Querträger am Wagenende ausgebildet.
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Das Fußelement ist im montierten Zustand vorzugsweise formschlüssig und/oder reibschlüssig mit dem Wagenkasten verbunden. Weiter vorzugsweise ist das Fußelement im montierten Zustand mittels einer Schraubverbindung mit einem Wagenkasten verbunden.
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Das Beinelement ist vorzugsweise zumindest abschnittsweise schlauchartig ausgebildet. Weiter vorzugsweise weist das schlauchartige Beinelement entlang seiner Erstreckung unterschiedliche Querschnittsformen, Querschnittsflächen und/oder Krümmungsradien auf. Die Ausbildung des Beinelements kann beispielsweise rechnergestützt ermittelt werden. Zur Erzielung einer entlang der Erstreckung gleichmäßigen Materialbeanspruchung kann die Schlauchform in Anlehnung an in der Natur vorkommende Gliedformen, wie Knochenformen und Grätenformen, geformt oder verstärkt sein.
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Vorzugsweise erstreckt sich das Beinelement derart ausgehend von dem Fußelement zu dem Aufnahmeelement, dass das Aufnahmeelement vom Beinelement in einer vorgegebenen Position zu dem spurgebundenen Fahrzeug gehalten wird. Der geschwungene Verlauf des Beinelements ist vorzugsweise ein s-förmiger Verlauf.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Tragvorrichtung besteht das Tragelement zumindest teilweise aus einem Faser-Kunststoff-Verbund. Die Nutzung eines Faser-Kunststoff-Verbunds als Material für das Tragelement hat den Vorteil, dass die Masse der Tragvorrichtung vergleichsweise gering ist und das Tragelement gleichzeitig eine hohe Festigkeit und Steifigkeit aufweist.
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Vorzugsweise ist der Faser-Kunststoff-Verbund ein faserverstärkter Kunststoff. Weiter vorzugsweise sind die Fasern des Faser-Kunststoff-Verbunds Kohlenstofffasern.
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Weiter vorzugsweise besteht die Tragvorrichtung vollständig aus einem Faser-Kunststoff-Verbund.
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Das Tragelement wird vorzugsweise durch Wicklung eines mit einer Kunststoffmatrix getränkten Faserrovings hergestellt.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Tragvorrichtung ist das Fußelement ein erstes Fußelement. Das Tragelement weist ein zweites Fußelement auf, welches zur festen Verbindung mit dem spurgebundenen Fahrzeug ausgebildet ist. Das Tragelement weist zudem ein Armelement auf, welches sich von dem zweiten Fußelement hin zu dem Aufnahmeelement mit einem bogenförmigen Verlauf erstreckt.
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Auf diese Weise wird zum einen die Stabilität der Tragvorrichtung bei der Übertragung einer Kraft erhöht. Zum anderen ermöglicht der bogenförmige Verlauf des Armelements, dass Raum in einem Bereich zwischen dem Tragelement und dem spurgebundenen Fahrzeug freigehalten werden kann.
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Nach einer bevorzugten Weiterbildung wird ein Übergang zwischen dem Beinelement und dem Armelement von einem Rumpfelement gebildet, welches zur festen Verbindung mit dem Aufnahmeelement ausgebildet ist. Diese Verbindung kann reibschlüssig, formschlüssig, über Adhäsion oder eine Kombination dieser Verbindungsarten erfolgen. Die Verbindung des Rumpfelements mit dem Aufnahmeelement hat den Vorteil, dass die Tragvorrichtung in Mischbauweise mit einer konventionellen Kupplung konstruiert werden kann. Denn das Aufnahmeelement kann aus dem gleichen Werkstoff (z.B. Metall) wie der Kupplungsfuß gefertigt werden, wohingegen das Tragelement auch im Bereich des Rumpfelements vorzugsweise aus einem Faser-Kunststoff-Verbund besteht.
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Eine weitere bevorzugte Weiterbildung umfasst ein Ringelement, welches ausgebildet ist, die feste Verbindung zwischen Rumpfelement und Aufnahmeelement zu bewirken.
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Gemäß einer Weiterbildung besteht das Ringelement zumindest teilweise aus einem Faser-Kunststoff-Verbund.
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Gemäß einer weiteren Weiterbildung umgibt das Ringelement im montierten Zustand das Aufnahmeelement und das Rumpfelement. Das Ringelement hat danach die Wirkung eines Gurts, welcher das Rumpfelement und das Aufnahmeelement zusammenhält.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltungsform weist das Aufnahmeelement eine erste Aufnahmeausnehmung auf, welche zur Aufnahme eines Kupplungsfußes des Kupplungselements ausgebildet ist. Das Aufnahmeelement weist zudem wenigstens eine zweite Aufnahmeausnehmung auf, welche zur Aufnahme des Rumpfelements ausgebildet ist. Die zweite Aufnahmeausnehmung ist korrespondierend zu einer Außenfläche des Rumpfelements ausgebildet.
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In einer in Längsrichtung des Rumpfelements betrachteten Querschnittansicht hat das Rumpfelement vorzugsweise eine elliptische Außenform.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Tragvorrichtung ist das Tragelement ein erstes Tragelement. Die Tragvorrichtung umfasst ein zweites Tragelement, welches bilateral-symmetrisch zu dem ersten Tragelement ausgebildet ist. Auf diese Weise wird die Stabilität der Tragvorrichtung bei der Übertragung einer auf das Kupplungselement wirkenden Kraft (z.B. quer zu einer Fahrtrichtung des spurgebundenen Fahrzeugs) erhöht.
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Der Fachmann versteht die Formulierung „bilateral-symmetrisch“ vorzugsweise dahingehend, dass das erste und zweite Tragelement symmetrisch bei Spiegelung an einer Mittelebene, die sich in Gleismitte aus der Fahrtrichtung und der Wirkrichtung der Gewichtskraft aufspannt, angeordnet sind.
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Eine bevorzugte Weiterbildung umfasst ein Versteifungselement, welches sich bilateral-symmetrisch zwischen dem ersten und zweiten Tragelement erstreckt und fest mit dem ersten und zweiten Tragelement verbunden ist. Auf diese Weise wird die Stabilität der Tragvorrichtung weiter erhöht. Das Versteifungselement ist vorzugsweise flächig ausgebildet. Weiter vorzugsweise ist das Versteifungselement jeweils mit einem Bereich des ersten und zweiten Tragelements verbunden, der einen Übergang zwischen dem Beinelement und dem Rumpfelement bildet. Weiter vorzugsweise sind für diese Verbindung am Tragelement Vorkehrung zur Anbindung des Versteifungselements getroffen, in Form von exponierten Anlageflächen oder durch Schlitzung oder Teilung des Tragelements.
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Gemäß einer Weiterbildung besteht das Versteifungselement zumindest teilweise aus einem Faser-Kunststoff-Verbund.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das erste und/oder zweite Tragelement jeweils als integrales Bauteil ausgebildet. Das Fußelement geht in seinem Längsverlauf in das Beinelement über. Die integrale Bauweise bewirkt einen geschwungenen Übergang zwischen dem Fußelement und dem Beinelement. Dadurch werden Schwachstellen oder Spannungsüberhöhungen am Tragelement verhindert oder zumindest verringert.
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Das erste Fußelement erstreckt sich ausgehend von dem Beinelement bis zu einem ersten Ende des Tragelements vorzugsweise parallel zu einer Fahrtrichtung des spurgebundenen Fahrzeugs.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung geht das zweite Fußelement in seinem Längsverlauf kurvenförmig in das Armelement über.
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Vorzugsweise besteht das Tragelement aus einem integralen Bauteil, welches sich ausgehend von dem Fußelement über das Beinelement geschwungen bis hin zu dem Rumpfelement erstreckt und sich weiter ausgehend von dem Rumpfelement über das Armelement bogenförmig bis hin zu dem zweiten Fußelement erstreckt. Diese Formgebung des Tragelements macht es besonders geeignet für eine rechnergestützte Optimierung. Weiter vorzugsweise weist das Tragelement entlang seiner Erstreckung unterschiedliche Querschnittsformen, Querschnittsflächen und/oder Krümmungsradien auf. Die Ausbildung des Tragelements ist weiter vorzugsweise zur Erzielung einer entlang der Erstreckung gleichmäßigen Materialbeanspruchung in Anlehnung an in der Natur vorkommende Gliedformen, wie Knochenformen und Grätenformen, ausgebildet. Mit anderen Worten: Das Tragelement ist bionisch geformt.
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Eine Ausführung des Tragelements mit einem geschwungenen Beinelement und einem bogenförmigen Armelement hat zudem den Vorteil, dass die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten des Tragelements (bestehend aus einem Faser-Kunststoff-Verbund) und des Aufnahmeelements oder Wagenkastens (bestehend aus Metall) in Ihrer Auswirkung auf die Bauteile bei einer Temperaturänderung beherrschbar sind.
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Das zweite Fußelement erstreckt sich ausgehend von dem Armelement bis zu einem zweiten Ende des Tragelements vorzugsweise parallel zu einer Fahrtrichtung des spurgebundenen Fahrzeugs. Das erste und zweite Fußelement haben vorzugsweise die gleiche Ausrichtung.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das erste und zweite Tragelement eine Anhebestelle für das spurgebundene Fahrzeug auf. Das Vorsehen einer Anhebestelle an dem Tragelement hat zudem den Vorteil, dass eingeschweißte Versteifungen im Rohbau als Anhebestellen entfallen können.
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Die Erfindung betrifft ferner ein spurgebundenes Fahrzeug mit einer Tragvorrichtung der vorstehend beschriebenen Art.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Seitenansicht eines Abschnitts eines spurgebundenen Fahrzeugs mit einer Tragvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 2 eine Ansicht von unten des in 1 gezeigten spurgebundenen Fahrzeugs und
- 3 eine Schnittansicht 3-3 eines Teilbereichs der in 1 gezeigten Tragvorrichtung.
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1 zeigt ein spurgebundenes Fahrzeug 1 als Schienenfahrzeug, welches zur Bewegung mittels Rädern 3 auf Schienen 5 in einer Fahrtrichtung 7 ausgebildet ist.
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Das spurgebundenen Fahrzeug 1 ist mit einem weiteren spurgebundenen Fahrzeug (nicht gezeigt) mittels einer Kupplungsvorrichtung koppelbar. Dazu ist ein Kupplungselement 12 an dem Wagenkasten 4 angeordnet. Die Übertragung von auf das Kupplungselement 12 wirkenden Kräften auf das spurgebundene Fahrzeug 1 wird im montierten Zustand mittels einer Tragvorrichtung 20 erzielt.
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2 zeigt das spurgebundenen Fahrzeug 1 in einer Ansicht von unten. Gleiche und funktionsgleiche Elemente werden dabei mit denselben Bezugszeichen wie in Bezug auf 1 referenziert.
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3 zeigt eine Schnittansicht 3-3 eines Teilbereichs der Tragvorrichtung 20 (die Schnittfläche ist in 2 dargestellt). Die Tragvorrichtung 20 weist ein Aufnahmeelement 22 auf, welches im montierten Zustand einen Kupplungsfuß 14 des Kupplungselements 12 aufnimmt. Der Kupplungsfuß 14 ist im montierten Zustand zumindest teilweise innerhalb des Aufnahmeelements 22 angeordnet und mit diesem verschraubt. Der Kupplungsfuß 14 ist über ein Gelenk 16 mit einer Kupplungsstange 18 verbunden. Die Kupplungsstange 18 ist in den 1 und 2 abgeschnitten dargestellt.
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Die Tragvorrichtung 20 weist ein erstes Tragelement 30 und ein zweites Tragelement 40 auf. Die Tragelemente 30 und 40 sind bilateral-symmetrisch zueinander angeordnet. D.h. die Tragelemente 30 und 40 sind symmetrisch bei Spiegelung an einer Mittelebene 28, die sich in Gleismitte aus der Fahrtrichtung 7 und der Wirkrichtung der Gewichtskraft aufspannt, angeordnet.
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Das Tragelement 30 bzw. 40 ist jeweils als integrales Bauteil ausgebildet.
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Das Tragelement 30 bzw. 40 weist jeweils ein Fußelement 31 bzw. 41 auf, welches zur reibschlüssigen Verbindung mit dem Wagenkasten 4, insbesondere mit einem Langträger des Wagenkastens 4, dient. Das Fußelement 31 bzw. 41 ist im montierten Zustand mittels einer Schraubverbindung an dem Wagenkasten 4 befestigt.
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Das Tragelement 30 bzw. 40 weist zudem jeweils ein Beinelement 32 bzw. 42 auf, welches sich ausgehend von dem Fußelement 31 bzw. 41 mit einem geschwungenen, s-förmigen Verlauf bis zu einem Rumpfelement 33 bzw. 43 des Tragelements 30 bzw. 40 erstreckt. Der s-förmige Verlauf ist derart ausgebildet, dass ein Bauraum 39 (schraffiert dargestellt) zwischen dem Aufnahmeelement 22 und dem Wagenkasten 4 geschaffen wird. Innerhalb des Bauraums 39 kann ein Schiebetritt eines Endeinstiegs des spurgebundenen Fahrzeugs 1 angeordnet sein.
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Ausgehend von dem Fußelement 31 bzw. 41 des Tragelements 30 bzw. 40 geht das Beinelement 31 bzw. 41 in das Rumpfelement 33 bzw. 43 über.
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Das Aufnahmeelement 22 weist zwei Ausnehmungen 23 und 24 auf. Die Ausnehmung 23 bzw. 24 ist zur teilweisen Aufnahme des Rumpfelements 33 bzw. 43 ausgebildet und weist eine Außenfläche auf, die korrespondierend zur Außenfläche des Rumpfelements 33 bzw. 43 ausgebildet ist. Insbesondere sind die Ausnehmungen 23 und 24 zumindest abschnittsweise kreisförmig zur Aufnahme des im Querschnitt kreisförmigen Rumpfelements 33 bzw. 43 ausgebildet.
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Ein Ringelement 50 umgibt im montierten Zustand das Aufnahmeelement 22 und die Rumpfelemente 33 und 43, um eine feste Verbindung zwischen Rumpfelement 33 bzw. 43 und dem Aufnahmeelement 22 herzustellen.
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Ausgehend von dem Beinelement 32 bzw. 42 erstreckt sich das Rumpfelement 33 bzw. 43 durch das Ringelement 50. Ausgehend von dem Rumpfelement 33 bzw. 43 erstreckt sich ein Armelement 34 bzw. 44 in einem bogenförmigen Verlauf bis zu einem zweiten Fußelement 35 bzw. 45.
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Der bogenförmige Verlauf ist derart ausgebildet, dass der Bauraum 39 in ausreichendem Umfang zwischen dem Aufnahmeelement 22 und dem Wagenkasten 4 geschaffen wird.
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Das zweite Fußelement 35 bzw. 45 ist im montierten Zustand mittels einer Schraubverbindung an dem Wagenkasten 4, beispielsweise an einer Ecksäule des Wagenkastens 4, befestigt.
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Das erste Fußelement 31 bzw. 41 erstreckt sich ausgehend von dem Beinelement 32 bzw. 42 im Wesentlichen parallel zur Fahrrichtung 7 zu einem ersten Ende des Tragelements 30 bzw. 40. Das zweite Fußelement 35 bzw. 45 erstreckt sich ausgehend von dem Armelement 34 bzw. 44 im Wesentlichen parallel zur Fahrtrichtung 7 zu einem zweiten Ende des Tragelements 30 bzw. 40.
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Zwischen dem ersten Tragelement 30 und dem zweiten Tragelement 40 erstreckt sich bilateral-symmetrisch ein Verstärkungselement 60, welches fest mit dem ersten und zweiten Tragelement 30 und 40 verbunden ist.
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Die Tragelemente 30 und 40, das Ringelement 50 sowie das Verstärkungselement 60 bestehen jeweils aus einem Faser-Kunststoff-Verbund, insbesondere aus kohlefaserverstärktem Kunststoff. Die Tragelemente 30 und 40 werden vorzugsweise durch Wicklung eines mit einer Kunststoffmatrix getränkten Faserrovings hergestellt.
