DE3612176C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Biegeträger, insbesondere für den Drehgestellrahmen eines Schienenfahrzeuges, nach dem Oberbegriff der Ansprüche 1 bis 3.

Es sind Schienenfahrzeug-Drehgestellrahmen in Faserverbund­ bauweise bekannt (DE-PS 29 52 182), bei denen die über Querstreben miteinander verbundenen, die Radsätze lagernden Längsträger neben der geforderten Tragfunktion auch die Aufgabe der Primärfederung mitübernehmen und ein vorgege­ benes Festigkeits- und sich in Längsrichtung änderndes, von den relativ elastischen Längsträgerenden zur Träger­ mitte hin zunehmend höhere Steifigkeitsverhalten und zu­ gleich einen großen Torsionswidersand aufweisen müssen.

Bekannt sind weiterhin Biegefedern aus Faserverbund-Werk­ stoff, die entweder aus einem unidirektionalen Faserstrang mit in diese eingebetteten Fasereinlagen bestehen (DE-OS 31 19 856) oder mehrschichtig mit einem oberen und einem unteren Unidirektional-Gurt und einer dazwischenliegenden Faserverbund-Abstandsschicht ausgebildet sind, welche mit seitlich vorstehenden Krafteinleitungs-Laschen versehen ist (DE-PS 32 38 099). Derartige Biegefeldern sind natur­ gemäß nicht als Biegeträger zu verwenden und haben im Vergleich zu diesen ein, bezogen auf ihre Biege- und Torsionssteifigkeit, sehr hohes Eigengewicht.

Ferner ist aus den EP-OSn 00 77 727 und 01 42 396 ein Biegeträger bekannt, der ein an den Biegeträger-Endab­ schnitten erhöhtes Steifigkeitsverhalten besitzt und auf die eingangs genannte, im Oberbegriff der Ansprüche 1 bis 3 angegebene Art in der Weise ausgebildet ist, daß die Faserverbund-Schubstege randseitig an den sich über die gesamte Biegeträgerlänge erstreckenden, unidirektionalen Fasersträngen enden und mit diesen über in Hohlkammern eingesetzte, schaumstoffgefüllte Faserverbund-Wickelkästen und über zusätzlich im Träger-Endbereich zwischen die Schubstege an die durchlaufenden Faserstränge anlaminierte Unidirektional-Faserlagen verkoppelt sind. Eine solche Schubsteg-Anbindung durch gesonderte Wickelkästen und ein die durchlaufenden Faserstränge örtlich aufdickendes Zusatzlaminat im Trägerendbereich ist mit einem erhöhten Fertigungs- und Gewichtsaufwand verbunden und hat außerdem zur Folge, daß das für den Biegeträger der beanspruchten Art im Endbereich geforderte, elastische Biegeverhalten beeinträchtigt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Biegeträger der eingangs genannten Art zu schaffen, der auf faserverbundge­ rechte Weise eine große Lastsicherheit und vor allem eine hochgradig sichere Verbundwirkung im Schubsteg-Gurtbereich gewährleistet.

Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Biegeträger durch die jeweils in der kennzeichnenden Teilen der Ansprüche 1 bis 3 angegebenen Merkmale gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Biegeträger wird aufgrund der Einbeziehung der Schubstege in die durchlaufenden Faser­ stränge eine sehr großflächige Direktverklebung der Schubsteg-Anordnung mit den oberen und unteren unidirektionalen Fasersträngen und eine wirksame Sicherung dieser Faser­ stränge gegen ein Aufplatzen unter Last erzielt und zugleich werden Delaminationserscheinungen, die an den durch die Schubstege begrenzten, durchlaufenden Faser- Teilsträngen durch eine Querschrumpfung der Harzmatrix während des Härtungszyklus oder durch Querzugspannungen auftreten können, dadurch wirksam unterbunden, daß ent­ weder gemäß Anspruch 1 zwischen diese Faser-Teilstränge und die randseitigen Schubsteg- Seitenflächen eine querelastische Zwischenschicht in Form eines Folienklebers eingelegt wird, durch die eine schrumpfungs- oder lastbedingte Querkontraktion der durchlaufenden Faser-Teilstränge ausgeglichen wird, oder gemäß Anspruch 2 in den Teilsträngen zwischen den Schubstegen die zusätzlichen, der erwähnten Querkonstraktion der Ober- und Untergurte entgegenwirkenden Gewebestreifen angeordnet oder gemäß Anspruch 3 zum Querkontraktions-Ausgleich Längs­ schlitze in den Schubsteg-Randbereichen ausgebildet werden.

In weiterer Ausgestaltung wird gemäß den Ansprüchen 4 und 5 ein noch besserer Schutz gegen querkontraktionsbedingte Delaminations­ erscheinungen im Schubsteg-Gurtbereich erzielt, wobei in dieser Hinsicht die im Anspruch 4 angegebene Kombination aus querelastischem Folienkleber und querstabilisierenden Gewebeeinlagen besonders bevorzugt wird.

Aus Gründen eines verbesserten Lastaufnahmeverhaltens haben die Schubstege gemäß den Ansprüchen 6 und 7 vorzugs­ weise einen quasiisotropen Faserlagenaufbau, d. h. sie besitzen in allen Richtungen der jeweiligen Schubsteg- Ebene annähernd gleiche Festigkeits- und Steifigkeits- Eigenschaften.

Für eine besonders einfache und lastsichere Krafteinleitung empfiehlt es sich gemäß Anspruch 8, die jeweiligen Lastanschlußstellen des Biegeträgers zwischen den oberen und unteren Fasersträngen an den Schubstegen in der Weise auszubilden, daß die Schubstege örtlich durch an diesen verklebte, die Hohlkammern durchsetzende Faserverbund- Einsatzstücke verstärkt sind. Im Hinblick auf eine insbe­ sondere für eine Schraubbolzenbefestigung ausreichend verspannungssichere Ausbildung der Einsatzstücke haben diese gemäß Anspruch 9 zweckmäßigerweise eine quer zur Trägerlängsrichtung im wesentlichen senkrecht zur Flächen­ erstreckung der Schubstege verlaufende Faserorientierung.

Um dem Biegeträger auf sehr einfache gewichtssparende Weise ein vorgegebenes, sich in Längsrichtung änderndes Elastizitätsverhalten mit der geforderten, relativ hohen Biegesteifigkeit im Bereich der Biegeträgermitte zu ver­ leihen, besitzt die Steganordnung gemäß Anspruch 10 vorzugs­ weise eine dementsprechend ungleichförmige, sich zu den Biegeträgerenden hin verringernde Steghöhe, während die oberen und unteren unidirektionalen Faserstränge eine über die gesamte Biegeträgerlänge im wesentlichen kon­ stante Querschnittskonfiguration aufweisen, so daß sich ein in Biegeträger-Längsrichtung nahezu gleichförmiger Biegespannungsverlauf ergibt.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung bestehen die Stützkörper gemäß Anspruch 11 aus mit den Schubstegen direktverklebten Schaumstoffteilen, wodurch der Biegeträger im Schub­ stegbereich auf herstellungsmäßig einfache Weise nach Art einer in Breitenrichtung des Biegeträgers vielfach geschichteten Sandwichstruktur ausgebildet und das Last­ aufnahmeverhalten des Biegeträgers ohne nennenswerte Gewichtserhöhung deutlich verbessert wird.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden erläutert.

Es zeigen in schematischer Darstellung

Fig. 1 Die Aufsicht eines Drehgestellrahmens in Faserverbundbauweise;

Fig. 2 Die Seitenansicht eines Biegeträgers des Drehgestellrahmens gemäß Fig. 1;

Fig. 3 Einen Schnitt des Biegeträgers längs der Linie III-III der Fig. 2;

Fig. 4 Einen vergrößerten Teilschnitt der Fig. 3 im Bereich des oberen unidirektionalen Faserstrangs;

Fig. 5 Einen Teilschnitt des Biegeträgers längs der Linie V-V der Fig. 2;

Fig. 6 Einen Teilschnitt längs der Linie VI-VI der Fig. 5.

Der in Fig. 1 gezeigte Drehgestellrahmen 2 aus Faserver­ bundwerkstoff besteht aus zwei, durch Querträger 4 mit­ einander verbundenen Biegeträgern 6, die an ihren Enden die (nicht gezeigten) Radsatzachsen lagern und in der Biegeträgermitte mit Lasteinleitungsstellen in Form von Durchgangsbohrungen 8 (Fig. 2) versehen sind, an denen die aus der Wagenkastenabstützung und -anlenkung resul­ tierenden Lasten z. B. über ebenfalls nicht gezeigte Metallbeschläge und Spannbolzen in den Biegeträger 6 eingeleitet werden. Von den Biegeträgern 6 wird neben der Tragfunktion zusätzlich auch die Aufgabe der Primärfede­ rung mitübernommen, d. h. sie müssen außer einem vorge­ gebenen Festigkeits- auch ein definiertes Steifigkeits­ verhalten besitzen, nämlich hochgradig torsionssteif und in der Ebene des Drehgestellrahmens 2 biegesteif sein und zugleich in Vertikalrichtung, als senkrecht zur Dreh­ gestellebene, ein sich über die Länge des Biegeträgers 6 in vorgegebener Weise änderndes Elastizitätsverhalten aufweisen, derart, daß sie an den Biegeträgerenden relativ biegeelastisch, im Bereich der Biegeträgermitte hingegen sehr biegesteif ausgebildet sind.

Um diesen Festigkeits- und Steifigkeitsanforderungen auf faserverbundgerechte, gewichtssparende Weise zu entsprechen, haben die Biegeträger 6 den im einzelnen in den Fig. 3-6 gezeigten Innenaufbau. Sie enthalten jeweils einen Ober- und einen Untergurt in Form eines sich mit konstantem Querschnitt und unidirektionaler Faser­ orientierung über die gesamte Biegeträgerlänge erstreckenden Faserstrangs 10 bzw. 12 sowie eine die Faserstränge 10, 12 auf Abstand haltende Schubsteganordnung 14, die aus einer Vielzahl von lamellenartig über die Breite des Biege­ trägers 6 verteilten, aufrecht stehenden, durchgehend zwischen den Biegeträgerenden verlaufenden, dünnwandigen einzelnen Schubstegen 16 besteht, welche jeweils einen quasiiso­ tropen Faserlagenaufbau, also etwa die in Fig. 4 in Kreuzschraffur angedeutete 0°-, 90°-, und +45°-Faser­ orientierung besitzen.

Entsprechend dem gewünschten Elastizitätsverhalten des Biegeträgers 6 ändert sich die Höhe der Steganordnung 14 in Biegeträgerlängsrichtung, d. h. die Schubstege 16 haben eine sich zu den Biegeträgerenden hin verringernde Steghöhe, wobei die oberen und unteren Randbereiche der Schubstege 16 sich durch die unidirektionalen Faserstränge 10, 12 bis zum Gurtaußenrand erstrecken und mit diesen flächig verklebt sind, um eine gute Verbindung der Schub­ steg-Anordnung 14 zu den Fasersträngen 10, 12 und einen wirksamen Schutz dieser Faserstränge 10, 12 gegen ein Aufplatzen unter Last zu erreichen. Die von den Schubstegen 16 begrenzten Kammern 18 sind mit Schaumstoffteilen 20, z. B. aus warmfesten Polyimid-Schaum, ausgefüllt.

Zur weiteren Erhöhung der Torsionssteifigkeit des Biege­ trägers 6 sind die Faserstränge 10, 12 und die Schubsteg- Anordnung 14 von einer auf die Biegeträger-Außenseite aufgebrachten, torsionsversteifenden Faserverbund-Deckhaut 22 umschlossen, die aus einem oberen und einem unteren U-förmigen Schalenteil 24, 26 und zwischen diesen einge­ schäfteten, seitlichen Torsionshautteilen 28 besteht, in welche die Fasern im Hinblick auf eine gezielte auf Torsionsbeanspruchungen abgestimmte Verseifungswirkung eine sich bezüglich der Biegeträger-Längsachse unter ±45° kreuzende Faserorientierung aufweisen, wie dies in Fig. 4 wiederum durch die zugeordnete Kreuzschraffur angedeutet ist.

Wie die Fig. 5 und 6 zeigen, sind die Lasteinleitungs­ bohrungen 8 an den Schubstegen 16 im Bereich der Kammern 18 bzw. Schaumstoffteile 20 ausgebildet, wobei zur örtlichen Verstärkung der Schubstege 16 Faserver­ bund-Einsatzstücke 30 vorgesehen sind, die die Kammern 18 und Schaumstoffteile 20 durchsetzen und beidseitig mit den zugeordneten Schubstegen 16 verklebt sind. Der Lagenaufbau der Einsatzstücke 30 ist so gewählt, daß sie Druckkräfte, die durch das Anschrauben der Lastein­ leitungsbeschläge entstehen, aufnehmen. Zu diesem Zweck haben die Einsatzstücke 30 die in Fig. 5 angedeutete, senkrecht zur Flächenerstreckung der Schubstege 16 ver­ laufende Faserorientierung.

Zur Herstellung des Biegeträgers 6 werden zunächst die einzelnen Schaumstoffteile 20 auf Kontur beschnitten und auf Dicke bearbeitet und dann an den Krafteinlei­ tungsstellen mit Aussparungen versehen, in die die zuvor ausgehärteten und auf die Dicke der einzelnen Schaum­ stoffteile 20 zugeschnittenen Einsatzstücke 30 eingefügt werden. Anschließend werden die ebenfalls bereits aus­ gehärteten und zugeschnittenen Schubstege 16 mit den Schaumstoffteilen 20 und den in diesen angeordneten Einsatzstücken 30 verklebt. Der so entstehende Teilzusam­ menbau ist nach Art einer vielschichtigen Sandwichstruktur gegliedert und bildet den Faserverbundkern des Biege­ trägers 6, wobei die oberen und unteren Biegeträger-Rand­ bereiche frei über den Faserverbundkern vorstehen.

Zwischen die frei vorstehenden Schubsteg-Randbereiche werden dann die oberen und unteren unidirektionalen Fa­ serstränge 10, 12 in noch ungehärtetem Zustand eingelegt und anschließend wird die Torsionshaut 22 aus ebenfalls noch ungehärtetem Faserverbundwerkstoff aufgebracht. Nach dem gleichzeitigen Aushärten der Faserstränge 10, 12 und der Torsionshaut 22 werden die Lasteinleitungsstellen verbohrt, und zwar exzentrisch zur Mittelachse der Ein­ satzstücke 30, um diese während des Bohrvorganges gegen ein Verdrehen zu sichern.

Gemäß Fig. 4 sind in die unidirektionalen, durchlaufenden Faserstränge 10 (und auch 12) in regelmäßigen Abständen zueinander parallele, sich über die gesamte Länge der Faserstränge 10, 12 querverlaufend zwischen den Schubstegen 16 erstreckende Gewebestreifen 32 eingelegt, die gemeinsam mit den Fasersträngen 10, 12 ausgehärtet werden und deren Verstärkungsfasern hauptsächlich senkrecht zur Flächenerstreckung der Schubstege 16 gerichtet sind, wie dies durch die in dieser Richtung höhere Faserdichte der zugeordneten Kreuzschraffur in Fig. 4 angedeutet ist. Durch diese Gewebestreifen 32 wird die Schrumpfung der Harzmatrix, welche während des Härtungszyklus in den durchlaufenden Fasersträngen 10, 12 senkrecht zu den bereits zuvor gehärteten, durch die Schaumstoffteile 20 und die Einsatzstücke 30 in festem Abstand zueinander gehaltenen Schubstegen 16 auftritt, sowie eine Querkontraktion der Faserstränge 10, 12 unter Last wirksam behindert und eine gute, großflächige, delaminationsfreie, schubfeste Verklebung der Schubsteg-Randbereiche mit den angrenzenden, durchlaufenden Faser-Teilsträngen garantiert. Aus dem gleichen Grund kann wahlweise oder - vor allem bei größeren Schub­ stegabständen - auch zusätzlich zwischen die Schubsteg- Randbereiche und die angrenzenden Faser-Teilstränge ein Folienkleber 34 (Fig. 4) beigelegt werden, der im Be­ reich der Schubsteg-Faserstrangverklebung eine in Quer­ richtung der Schubstege 16 elastische Zwischenschicht bildet, durch querkontraktionsbedingte Ablöseer­ scheinungen verhindert werden, und/oder die Schubstege 16 können an ihren über die Schaumstoffteile 20 vorstehenden Randbereichen zum Ausgleich der erwähnten Querkon­ traktionen durch mittige, sich einseitig zu Stegober- bzw. -unterkante öffnende Längsschlitze 36 in Steg- Dickenrichtung nachgiebig ausgebildet sein.

Claims (11)

1. Biegeträger, insbesondere für den Drehgestellrahmen eines Schienenfahrzeuges, bestehend aus einer zumindest in der Biegeträgermitte relativ biegesteifen, an den Biegeträger-Endabschnitten elastisch ausgebildeten Faserverbundenstruktur mit einem oberen und einem unteren, als Ober- bzw. Untergurt mit jeweils in Trägerlängsrichtung unidirekionaler Faserichtung ausgebildeten und sich über die gesamte Biegeträger­ länge erstreckenden Faserstrang und mit einem zwischen den Fasersträngen als Abstandhalter angeordneten Faserverbundkern, der aus lammellenartig über die Biegeträgerbreite verteilten Faserverbund-Schubstegen mit einer zur Trägerlängsrichtung geneigten Faserorientierung sowie aus zwischen den Schubstegen angeordneten Stützkörpern zusammengesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Schubstege (16) randseitig über die gesamte Schubsteg-Länge in den oberen und den unteren Faser­ strang (10, 12) derart eingebettet sind, daß die Schubsteg-Randbereiche mit den Fasersträngen (10, 12) durch eine in Querrichtung der Schubstege (16) elastische Klebstoffverbindung in Form eines Folienklebers (34) verbunden sind.

2. Biegeträger, insbesondere für den Drehgestellrahmen eines Schienenfahrzeuges, bestehend aus einer zumindest in der Biegeträgermitte relativ biegesteifen, an den Biegeträger-Endabschnitten elastisch ausgebildeten Faserverbundstruktur mit einem oberen und einem unteren, als Ober- bzw. Untergurt mit jeweils in Träger­ längsrichtung unidirektionaler Faserrichtung ausgebildeten und sich über die gesamte Biegeträgerlänge er­ streckenden Faserstrang und mit einem zwischen den Fasersträngen als Abstandshalter angeordneten Faserver­ bundkern, der aus lammellenartig über die Biegeträger­ breite verteilten Faserver­ bund-Schubstegen mit einer zur Trägerlängsrichtung geneigten Faserorientierung sowie aus zwischen den Schubstegen angeordneten Stütz­ körpern zusammengesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Schubstege (16) randseitig über die gesamte Schub­ steglänge in den oberen und den unteren Faserstrang (10, 12) eingebettet sind und daß in die Faserstränge (10, 12) jeweils zueinander parallele, sich über die Länge der Faserstränge (10, 12) quer verlaufend zwischen den Schubstegen (16) erstreckenden Gewebestreifen (32) mit zur Flächenerstreckung der Schubstege (16) im wesentlichen senkrechter Faserorientierung eingelegt sind.

3. Biegeträger, insbesondere für den Drehgestellrahmen eines Schienenfahrzeuges, bestehend aus einer zumindest in der Biegeträgermitte relativ biegestiefen, an den Biegeträger-Endabschnitten elastisch ausgebildeten Faserverbundstruktur mit einem oberen und einem unteren, als Ober- bzw. Untergurt mit jeweils in Trägerlängs­ richtung unidirektionaler Faserrichtung ausgebildeten und sich über die gesamte Biegeträgerlänge er­ streckenden Faserstrang und mit einem zwischen den Fasersträngen als Abstandshalter angeordneten Faserver­ bundkern, der aus lamellenartig über die Biegeträger­ breite verteilten Faser­ verbund-Schubstegen mit einer Trägerlängsrichtung geneigten Faserorientierung sowie aus zwischen den Schubstegen angeordneten Stützkörpern zusammengesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Schubstege (16) randseitig über die gesamte Schubsteglänge in den oberen und den unteren Faserstrang (10, 12) eingebettet sind und daß die Schubsteg-Randbereiche durch in diese mittig einge­ brachte, sich einseitig zur Stegober- bzw -unterkante öffnende Längsschlitze (36) in Steg-Dickenrichtung nachgiebig ausgebildet sind.

4. Biegeträger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in die Faserstränge (10, 12) jeweils zueinander parallele, sich über die Länge der Faserstränge (10, 12) querverlaufend zwischen den Schubstegen (16) erstreckende Gewebestreifen (32) mit zur Flächenerstreckung der Schubstege (16) im wesentlichen senkrechter Faserorientierung eingelegt sind.

5. Biegeträger nach Anspruch 1, 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schub­ steg-Randbereiche durch in diese mittig eingebrachte, sich einseitig zur Stegober- bzw. -unterkante öffnende Längsschlitze (36) in Steg-Dickenrichtung nachgiebig ausgebildet sind.

6. Biegeträger nach Anspruch 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Schubstege (16) eine sich kreuzende, quasiisotrope Faserorientierung aufweisen.

7. Biegeträger nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserorientierung der Schubstege (16) bezüglich der Trägerlängsrichtung 0°, 90° und +45° beträgt.

8. Biegeträger nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einige als Durchgangsbohrungen (2) ausgebildete Lastanschlußstellen des Biegeträgers (6) zwischen dem oberen und dem unteren Faser­ strang (10, 12) an den Schubstegen (16) ausgebildet sind, wobei die Schubstege (16) örtlich durch stetig verklebte Faserver­ bund-Einsatzstücke (30) verstärkt sind.

9. Biegeträger nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einsatzstücke (30) eine im wesentlichen senkrecht zur Flächenerstreckung der Schubstege (16) verlaufende Faserorientierung aufweisen.

10. Biegeträger nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schubstege (16) zur Biegeträgermitte hin zunehmende Steghöhe besitzen.

11. Biegeträger nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützkörper durch Schaumstoffteile (20) gebildet sind.