DE19809489A1

DE19809489A1 - Aufprallschutzvorrichtung für Schienenfahrzeuge

Info

Publication number: DE19809489A1
Application number: DE19809489A
Authority: DE
Inventors: Sieghard Schneider
Original assignee: Krauss Maffei Verkehrstechnik GmbH
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1998-01-28
Filing date: 1998-03-05
Publication date: 1999-07-29
Also published as: DE59901722D1; KR20010034263A

Description

Durch offenkundige Vorbenutzung (Präsentation am 10.12.1996 durch die Anmelderin) ist eine Aufprallschutzvorrichtung für Schienenfahrzeuge bekannt geworden, wie sie in der deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 196 35 221.5 in Fig. 1 dargestellt ist (siehe auch die beiliegende Fig. 1). Es handelt sich hierbei um Energieverzehrelemente mit kastenartigem Aufbau und viereckiger Querschnittsform, die zwischen dem Hauptrahmen des Schienenfahrzeugs und den Pufferelementen angeordnet sind. Diese Energieverzehrelemente dienen zur Kompensation von das Energieaufnahmevermögen der Pufferelemente überschreitender Aufprallenergie. Die benutzte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, daß die Querschnittsform des jeweils zwischen Pufferelement und Hauptrahmen angeordneten Energieverzehrele mentes in Form eines geschlossenen, kastenartigen Trägers sich vom Pufferelement zum Hauptrahmen stetig erweitert. Bei dem Pufferelement handelt es sich um einen als Hülsenpuffer bekann ten Standardpuffer, wie er an sich aus dem Stand der Technik bekannt ist. Ein derartiger Hülsenpuffer besteht im wesentli chen, wie aus Fig. 1 der eingangs genannten Patentanmeldung ersichtlich ist aus einem Pufferteller 10, der auf einer äußeren Hülse 11 befestigt ist und die ein inneres Teil 12 überstülpt. Das Außenteil 11 und das Innenteil 12 sind ineinan der verschiebbar und innerhalb des Teils 12 ist ein Energiever zehrelement, beispielsweise als Reibungsfeder, gegebenenfalls mit einer zusätzlichen Hydraulikkapsel angeordnet.

Nachteilig an der bekannten Aufprallschutzvorrichtung ist, daß durch das "Hintereinanderschalten" des bekannten Energiever zehrelementes mit einem Standardpuffer bezogen auf die Gesamt länge L der Aufprallschutzvorrichtung, vergleichsweise wenig aktive Länge zur Verfügung steht, auf der eine Energieaufnahme erfolgen kann. Von der gesamten Länge des Standardpufferele ments steht nur ein vergleichsweise geringer Hub zur Verfügung, der für das ineinanderschieben des äußeren Teils 11 über das Element 12 zur Verfügung steht (Hub des Pufferelements). Außerdem ist zu berücksichtigen, daß bei dem Energieverzehrele ment nicht die volle Länge zur Verfügung steht, sondern stets eine Restlänge im gestauchten Zustand verbleibt.

Demgegenüber soll mit der vorliegenden Erfindung bei gleicher Gesamtlänge L eine wesentlich größere aktive Länge zur Energie aufnahme zur Verfügung gestellt werden.

Hierbei ist zu berücksichtigen, daß nach neuesten internationa len Richtlinien für die Sicherheit von Schienenfahrzeugen (ERRI B 205/RP1) für Deformationszonen eine Mindestaufnahmeenergie von 1MJ vorgegeben ist. Außerdem soll nach dieser Richtlinie ein Deformationsweg von 1 m nicht überschritten werden. Demge genüber schreibt die UIC 566 eine Mindestfestigkeit für die Struktur des Schienenfahrzeugs von 2000 kN vor. Um die gefor derte Mindestenergie von 1MJ bei einem Kraftniveau unterhalb der 2000 kN aufzunehmen, ist eine Deformationslänge von mehr als 0,5 m erforderlich. Andernfalls müßte die gesamte Struktur des Schienenfahrzeugs für eine höhere Festigkeit ausgelegt werden. Es sind derzeit keine Aufprallschutzvorrichtungen bekannt, die eine Deformation größer als 0,5 m besitzen.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch eine Aufprallschutzvor richtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterentwicklungen sind in den Unteran sprüchen 2 bis 11 angegeben.

Durch die gemäß Patentanspruch 1 vorgeschlagene Ausgestaltung eines kastenartigen Energieverzehrelements mit einer Einstül pung und einem in diese eintauchenden, passenden Pufferstößel kann das Energieverzehrelement im Vergleich zum Stand der Technik wesentlich länger ausgebildet werden, so daß insgesamt eine wesentlich größere aktive Länge zum Energieverzehr zur Verfügung steht. Um diese vollständig ausnutzen zu können, darf die Einstülpung beim Falten des Energieverzehrelements nicht an den Hauptrahmen anstoßen, wozu dieser mit passenden Ausnehmun gen versehen ist.

In den Unteransprüchen 2 bis 7 finden sich vorteilhafte Ausge staltungen des Energieverzehrelements, die eine erhöhte Stabi lität gegenüber seitlichen Kräften und Momenten sowie gegenüber exzentrischen Längskräften aufweisen und die sich bei einem Aufprall nur durch axiale Faltenbildung verformen. Dabei wird die Erkenntnis ausgenutzt, daß bei einer durch einen Aufprall in dem Kasten ausgelösten Deformation, diese sich zunächst im Bereich des Kastenendes einstellt, wo der Kasten den geringeren Querschnitt aufweist. Da sich der Verformungswiderstand des Kastens aufgrund des zum Hauptrahmen zunehmenden Querschnitts progressiv erhöht, stellt sich eine vom Kastenende zum Haupt rahmen axial fortlaufende Faltenbeulung ein, so daß ein un kontrollierbares Einknicken, wie dies bei einem Kasten mit konstanter Querschnittsform eintreten könnte, ausgeschlossen werden kann. In einer bevorzugten Ausführungsform von Unteran spruch 3 hat der Kasten zumindest im Bereich des Hauptrahmens die Form eines Rechtecks, bei dem die längeren Seiten horizon tal gelegen sind. Damit lassen sich die Seitenstützkräfte des Energieverzehrelementes erhöhen. Zur weiteren Steigerung der Seitenstützkräfte können gemäß den Unteransprüchen 4 und 5 seitliche Aussteifungen vorgesehen werden, die ferner ein progressives Ansteigen des Widerstandes gegen axiales Falten beulen bewirken. Im weiteren wird damit ein Übergreifen der Verformung auf die Folgestruktur (Hauptrahmen) weitgehend vermieden. Zur weiteren Sicherstellung einer vom Kastenende zum Hauptrahmen progressiv sich fortsetzenden Deformation durch axiales Faltenbeulen kann gemäß Unteranspruch 7 die Struktur des Kastens bzw. Energieverzehrelementes in definierten Berei chen mit Schwachstellen, z. B. in Form von Einkerbungen in der Wandung des Kastens, versehen sein. Durch die Schwachstellen kann vorgegeben werden, an welcher Stelle und in welcher Reihenfolge sich die Wandungen des Kastens durch parallel aufeinanderfolgende Faltungen verformen sollen. Vorzugsweise sind die definierten Schwächungen der Struktur des Kastens nur im vorderen Bereich des Kastens angeordnet oder nehmen zum hinteren Bereich in Richtung des Hauptrahmens ab. Die vorbe schriebenen konstruktiven Maßnahmen erhöhen die Sicherheit, daß die Deformation des Kastens nur durch das mit einem hohen Energieverzehr einhergehende axiale Faltenbeulen (Stauchverfor mung) erfolgt, wobei auch bei außerzentrischer Einleitung der Aufprallenergie ein unkontrolliertes und nur einen geringen Energieverzehr bewirkendes Einknicken (Biegeverformung) des Kastens weitestgehend ausgeschlossen werden kann.

Die Ausgestaltung gemäß den Unteransprüchen 8 bis 10 hat den besonderen Vorteil, daß nach einer Deformation des Energiever zehrelements nur der äußere Kasten ausgetauscht und ersetzt werden muß, während die Einstülpung und der Pufferstößel, gegebenenfalls als separates Pufferelement, wiederverwendet werden kann.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Fig. 2 bis 10 näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 Aufprallschutzvorrichtung nach dem Stand der Technik im ungestauchten (links) und im gestauchten (rechts) Zustand

Fig. 2 eine erste Ausführungsform der Erfindung mit einem kastenförmigen Energieverzehrelement, das über eine Einstülpung verfügt.

Fig. 3 eine zweite Ausführungsform der Erfindung mit einem kastenförmigen Energieverzehrelement und separater Einstülpung.

Fig. 4, 5 verschiedene Ausführungsformen eines Flansches zur Be festigung des Einstülprohrs am Energieverzehrelement.

Fig. 6 maßstabgetreue vergleichende Darstellung der aktiven und inaktiven Längen beim Stand der Technik (unten) und bei der Erfindung (oben).

Fig. 2 zeigt eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Aufprallschutzvorrichtung. Sie besteht aus einem kastenartigen Energieverzehrelement 25, daß über eine in den Hohlraum 24 reichende Einstülpung 20 verfügt und das mittels Schweißnähten S an einem Querträger 31 des Hauptrahmens 29 befestigt ist. Die Einstülpung 20 nimmt einen Pufferstößel 21 auf, der einen Pufferteller 22 aufweist. Innerhalb des von der Einstülpung und dem Pufferstößel gebildeten Hohlraums befindet sich ein Ener gieaufnahmeelement 32, das über eine Reibungs- oder Ringfeder 33 und eine Hydraulikkapsel 34 verfügt. Der Bodenbereich der Einstülpung 20 und die Stirnseite des Kastenendes sind ver stärkt ausgeführt. Das Energieverzehrelement 25 besteht aus einem Starkblech und weist vorzugsweise eine rechteckige, geschlossene Querschnittsform auf, wobei der Querschnitt nach hinten zum Hauptrahmen 29 konisch zunimmt und an diesem mit der Querschnittsform als waagerechtliegendes Rechteck befestigt ist. In dem Hohlraum 24 sind Führungsrippen 40 vorgesehen, die vorzugsweise sowohl an Ober- und Unterseite 36, 37 als auch an den Seitenwänden 35 mittels Schweißnähten S angebracht sind. Im Falle eines Aufpralls des Schienenfahrzeugs mit Energie, die das Energieaufnahmevermögen des Energieaufnahmeelementes 32 überschreitet, erfolgt die weitere Aufnahme durch eine Verfor mung des Energieverzehrelementes 25. Durch die Ausnehmung 30 ist sichergestellt, daß die gesamte Länge des Energieverzehr elements 25 als verformbare Struktur ausgenutzt werden kann, da die Einstülpung 20 in diese Ausnehmung 30 eintauchen kann. Die Führungsrippen 40 stellen sicher, daß insbesondere bei außer zentrischen Stößen die Einstülpung 20 durch die Ausnehmung 30 hindurchtritt.

Fig. 3 zeigt eine zweite Ausführungsform einer erfindungsge mäßen Aufprallschutzvorrichtung mit einer separat angeordneten Einstülpung 20 (Pufferhülse) zur Aufnahme und Führung des verschiebbaren Pufferstößels 21, dessen Ende als Teller 22 ausgeführt ist oder mit einem separaten Pufferteller versehen ist. Das Bodenteil 23 der Pufferhülse kann je nach Anforderun gen beispielsweise als Tellerboden ausgeführt sein, ist also verstärkt und gewichtsoptimiert. Bedarfsweise kann der Teller boden außen angefast sein. Die Einstülpung 20 mit dem Puffer stößel 21 ist in den Hohlraum 24 des Energieverzehrelements 25 mit kastenartigem Aufbau und vorzugsweise viereckigem Quer schnitt eingelassen. Um die Gesamtlänge L der Aufprallschutz vorrichtung möglichst optimal auszunutzen und möglichst viel aktive Länge zur Verfügung zu stellen, besitzt das Energiever zehrelement 25 gerade eine solche Länge, daß es am tellerseiti gen Ende der Pufferhülse 20 endet und dort befestigt ist. Zur Befestigung der Pufferhülse 20 mit dem Energieverzehrelement 25 können Schweißverbindungen und/oder lösbare Verbindungen, beispielsweise Schraubverbindungen, dienen. In der Ausführungs form gemäß Fig. 3 ist das tellerseitige Ende der Pufferhülse 20 als verstärktes Teil 26 ausgebildet, das über eine größere Wandstärke verfügt als die Pufferhülse 20 selbst. Ein Flansch 27 ist über die Pufferhülse 20 gezogen und an dem verstärktem Endstück 26 mittels einer umlaufenden Schweißnaht befestigt.

Das Kopfstück 28 des deformierbaren Energieverzehrelementes 25 verfügt über eine Ausnehmung, durch die das gesamte Pufferele ment in den Hohlraum 24 des Energieverzehrelements eingeführt werden kann, bis der Flansch 27 an den Außenflächen des Kopf stücks 28 anliegt. Das Pufferelement kann dann mit dem Energie verzehrelement verschraubt werden. Die gesamte Aufprallvorrich tung ist mittels Schweißnähten S an dem Hauptrahmen 29 bzw. dessen Kopfteil des Schienenfahrzeugs befestigt. Das Energie verzehrelement 25 besteht aus einem Starkblech und hat einen kastenförmigen Aufbau mit vorzugsweise rechteckiger geschlos sener Querschnittsform; die bevorzugte Ausführungsform dieses Energieverzehrelementes entspricht dem in der deutschen Patent anmeldung 196 35 221.5, der Querschnitt dieses Energieverzehr elementes nimmt also nach hinten zum Hauptrahmen 29 konisch zu und ist an diesem mit der Querschnittsform als waagerecht liegendes Rechteck befestigt. Die Befestigung kann als Schweiß naht S ausgebildet sein; ebenso kann die Verbindung lösbar ausgeführt sein. An den Verbindungsstellen zum Hauptrahmen 29 kann das Energieverzehrelement 25 mit Anschlußplatten versehen sein. Im konisch erweiterten Bereich können zusätzlich seitli che Aussteifungen in Form von Stützrippen vorgesehen werden. Im falle eines Aufpralls des Schienenfahrzeugs mit einer Energie, die das Energieaufnahmevermögen des Pufferelements (20, 21 und 22) überschreitet, erfolgt die weitere Energieaufnahme durch eine Verformung des Energieverzehrelementes 25. Um die gesamte Länge des Energieverzehrelements 25 als verformbare Struktur ausnutzen zu können, ist eine Ausnehmung 30 im Querträger 31 vorgesehen, durch die das Pufferelement hindurchtreten kann.

Durch die konstruktive Gestaltung des Energieverzehrelementes 25 gemäß der bevorzugten Ausführungsform ist weitestgehend sichergestellt, daß dieses auch bei außerzentrischer Einleitung der Aufprallenergie nicht einknickt (Biegeverformung), sondern sich durch axiales Faltenbeulen verformt. Diese durch Stauchung hervorgerufene Verformung bewirkt eine parallele Faltung der Wandungen des Energieverzehrelementes 25 nach Art eines Falten balges.

Die in Fig. 2 und 3 dargestellten und zuvor erläuterten Aus führungsformen kann fast die gesamte Länge L, über die sich die Aufprallvorrichtung erstreckt, als aktive Länge ausgenutzt werden. Insgesamt nimmt also ein- und dieselbe Struktur Betriebskräfte auf und enthält gleichzeitig die deformierbare Struktur zur Energieaufnahme. Durch den größeren zur Verfügung stehenden Verformungsweg erfolgt bei gleicher Energieverzehrung eine geringere Krafteinleitung in das Schienenfahrzeug. Die Lokstruktur kann somit leichter dimensioniert werden; ebenso können alle Einbauten auf geringere Schockbelastungen ausgelegt werden. Insgesamt ergibt sich damit auch eine Gewichtseinspar ung. Das Energieverzehrelement 25 kann alternativ zu der obenbeschriebenen Ausführungsform auch in Form eines Stülproh res ausgebildet sein.

In Fig. 4 und Fig. 5 sind zwei Varianten des Flansches 27 in Aufsicht dargestellt. Der Flansch ist verstärkt und gewichts optimiert. Die Maße richten sich letztendlich nach dem Außen durchmesser der Pufferhülse 20.

Bezugszeichenliste

1

Hauptrahmen

2

Querträger

3

Energieverzehrelement (Crash-Element) im ungestauchten Zustand

4

Energieverzehrelement (Crash-Element) im gestauchten Zustand

5

,

6

Pufferelemente, bestehend aus:

10

Pufferteller

11

Pufferhülse

12

Pufferinnenteil

7

seitliche Stützrippen

20

Einstülpung bzw. Pufferhülse

21

Pufferstößel

22

Pufferteller

23

Bodenteil der Pufferhülse

24

Hohlraum im Energieverzehrelement

25

Energieverzehrelement (Crash-Element)

26

verstärktes Endstück der Pufferhülse

27

Flansch

28

Kopfstück des Energieverzehrelements

29

Hauptrahmen bzw. Kopfstück

30

Ausnehmung im Querträger

31

Querträger

32

Energieverzehrelement des Puffers

33

Reibungs- oder Ringfeder

34

Hydraulikkapsel

35

U-förmige Seitenwand des Crash-Elements

36

Oberseite des Crash-Elements

37

Unterseite des Crash-Elements

38

,

38

' definierte Schwachstellen

39

Rippen zur Erhöhung des Faltungswiderstandes

40

Führungsrippen für den Durchtritt der Einstülpung durch die Ausnehmung im Querträger

Claims

1. Aufprallschutzvorrichtung für Schienenfahrzeuge mit einem oder mehreren am Hauptrahmen des Schienenfahrzeugs angeordneten Energieverzehrelementen, die einen kastenartigen Aufbau und eine vom Kastenende in Richtung des Hauptrahmens verlaufende Einstül pung besitzen, mit einem in die Einstülpung eintauchenden Pufferstößel, mit elastisch deformierbaren Energieaufnahmeele menten, die in dem von der Einstülpung und dem Pufferstößel gebildeten Hohlraum angeordnet sind, sowie mit Ausnehmungen am Hauptrahmen, die eine für den Durchtritt der Einstülpung ausrei chende Größe besitzen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Energieverzehrelement eine viereckige Querschnittsform besitzt, die sich vom Kastenende zum Hauptrahmen stetig erwei tert.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Energieverzehrelement zumindest im Bereich der Befesti gung am Hauptrahmen einen rechteckigen Querschnitt aufweist, wobei vorzugsweise die längeren Seiten horizontal gelegen sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens im Bereich der Befestigung am Hauptrahmen seitliche Aussteifungen angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich die seitlichen Aussteifungen über die gesamte Länge des Energieverzehrelements erstrecken und mit dessen Seitenwänden jeweils einen U-förmigen Querschnitt bilden.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die seitlichen Aussteifungen und die Seitenwände des Ener gieverzehrelements jeweils einstückig sind und mit einem Ober- und einem Unterteil zu einem kastenartigen Aufbau verbunden sind, vorzugsweise mittels Schweißverbindungen.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Struktur der kastenartigen, Energiever zehrelemente nach der Maßgabe mit Schwachstellen versehen ist, daß sich bei Aufprallbelastung vom Kastenende zum Hauptrahmen progressiv fortschreitend parallele Faltungen ergeben.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstülpung und der Kasten als separate Teile ausgeführt sind, wobei die Einstülpung lösbar am Kastenen de befestigt ist, beispielsweise mittels Schraubverbindungen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Befestigung der Einstülpung ein Flansch vorgesehen ist, der um die Einstülpung herum im Bereich des Kastenendes ange schweißt ist und der lösbar am Kastenende befestigt ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekenn zeichnet, daß die Einstülpung und der Pufferstößel als Puffer element ausgebildet sind.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstülpung einen zylindrischen Quer schnitt aufweist.