DE4422579C2 - Verbundbauteil als Zug-Druck-Stange für Schienenfahrzeuge - Google Patents

Description

Die Erfindung befaßt sich mit einem Verbundbauteil als Zug-Druck-Stange für Schienenfahrzeuge.

Bei Schienentriebfahrzeugen dienen Zug-Druck-Stangen z. B. zur Anlenkung des Drehgestells am drehzapfenlosen Wagenkasten des Schienentriebfahrzeugs zwecks Übertragung der im Fahrbetrieb auftretenden Zug- und Bremskräfte.

Derartige Zug-Druck-Stangen müssen sehr hohen Belastungen infolge Zug- und Bremskräften, kurzzeitigen statischen und dynamischen Belastungen des Drehgestells bis zu 5 g ohne Schädigung standhalten. Im Fahrbetrieb ist die Zug- Druck-Stange beim Durchfahren von Bögen, beim Befahren von Ablaufbergen sowie durch Nicken und Wanken des Drehgestells radialen und kardanischen Auslenkungen zwischen Drehgestell und Wagenkasten ausgesetzt, denen durch endseitige Gelenkverbindungen der Zug-Druck-Stange Rechnung getragen wird.

Es ist bekannt, derartige Zug-Druck-Stangen überwiegend aus metallischen Werkstoffen zu gestalten (DE 29 29 927 C2). In einer häufig verwendeten Bauform trägt eine Verbindungsstange an ihren Enden angeflanschte Gelenkbauteile. Diese Gelenkbauteile umgreifen paßgerecht an Bauteilen des Wagenkastens sowie am Drehgestell befestigte, z. B. aus Stahlguß gefertigte Führungszapfen und sind mit diesen über ein Gelenklager verbunden. Um bei Anfahr- und Bremsvorgängen Kraftstöße zwischen Drehgestell und Wagenkasten zu verringern, muß die Anlenkung durch eine elastische Verbindung erfolgen: Da die Verbindungsstange selbst starr ist, wird häufig das Gelenklager als ein außen und innen mit je einer Führungshülse zusammenvulkanisiertes Elastomerteil gestaltet.

Ein Problem dieser Lösung besteht darin, daß bei Leistungserhöhung des Schienen­ triebfahrzeugs notwendige festigkeits- und stabilitätssteigernde Maßnahmen an den Zug-Druck-Stangen zur Masseerhöhung führen, was die Gesamtmassebilanz des Fahrzeugs negativ beeinflußt. Wünschenswert dagegen ist sogar, die Masse nach Möglichkeit zu reduzieren. Ein weiteres Problem besteht darin, daß für die Dimensio­ nierung einer solchen verstärkten Zug-Druck-Stange und deren Einbau nur eine sehr begrenzte Einbauhöhe zur Verfügung steht. Weiterhin ist von Nachteil, daß die mit definierter Elastizität ausgestatteten Elastomerteile der üblichen Gelenke durch Umwelteinflüsse, Öl, Reinigungsmittel und Oxidation ihre Eigenschaften verändern. Andere standfeste Gelenkbauteile, wie z. B. Radiallager, sind nicht einsetzbar, da sie in unvorteilhafter Weise die Elastizität der Verbindung zwischen Drehgestell und Wagenkasten reduzieren. Eine hohe Elastizität dieser Anlenkung zwischen Wagenkasten und Drehgestell ist jedoch wünschenswert, da damit die Anregung von Biegeschwingungen im Wagenkasten vermindert werden kann, die daraus resultierenden Vertikalbeschleunigungen und die dynamische Belastung der Bauteile im Wagenkasten reduzierbar ist sowie der Fahrkomfort auf dem Führerstand erhöht werden kann. Lösungsansatz für diese Probleme ist der Versuch, eine Zug-Druck- Stange aus Faserverbundwerkstoffen zu gestalten.

In der Druckschrift DD 27 215 sind Achslenker für die Führung in Schienenfahrzeug- Drehgestellen beschrieben, die Blatt- oder Tellerform aufweisen und aus einem Verbundwerkstoff bestehen, bei dem vorzugsweise entlang der Richtung der maximalen Spannung verlaufende Fasern großer Reißlänge in Gießharz eingebettet sind.

In der Druckschrift DE 38 35 033 C2 werden blattfederartig wirkende Radsatzlenker für Drehgestelle von Schienenfahrzeugen offenbart, die ebenfalls aus Faserverbundwerkstoff bestehen, endseitig aufgedickt und mit metallischen Krafteinleitungselementen verspannt sind, wobei ein größerer Faserlagenanteil in Bauteil-Längsrichtung und ein geringerer Faserlagenanteil unter Winkeln von 45° verläuft.

Die Druckschrift EP 0 409 123 A2 zeigt einen Radsatzlenker, dessen Federkörper aus mindestens zwei parallel und beabstandet zueinander verlaufenden Faserverbundschichten besteht, die nur in ihren endseitigen Krafteinleitungsbereichen durch eine (andersartige) Faserverbund-Zwischenschicht miteinander verbunden sind und dort einseitig verzahnte Metallplatten zur Ankopplung am Drehgestell bzw. Achslagergehäuse tragen.

Die genannten Lenker sind für Längs-, Quer- und Vertikal-Bewegungen und -Kräfte zur Anlenkung von Radsatzachsen im Drehgestell ausgebildet, nicht jedoch für eine solche Zug-Druck-Stange, die für die Anlenkung eines Drehgestells an einem Wagenkasten geeignet sein soll. Aus Bauart und Ausbildung dieser Verbundbauteile können keine Hinweise zur Problemlösung erkannt werden.

In der DE 29 51 111 A1 ist ein Verbundbauteil als Pleuel für Brennkraftmaschinen beschrieben, bei dem ein Pleuelschaft zwischen zwei Lageraugen angeordnet ist. Um diese Anordnung ist ein Gurt aus kunstharzgetränkten Fasersträngen gelegt. Der Pleuelschaft besteht aus zwei mit dem Rücken zueinander liegenden U-Profile, die aus faserverstärktem Kunststoff gepreßt sind und in die längs je ein Kern aus dem gleichen Werkstoff eingelegt ist. Die gesamte Anordnung wird von senkrecht zur Längsachse aufgewickelten kunstharzgetränkten Faserlagen umschlossen. Bei diesem Schaftaufbau dienen die Kerne zur Aufnahme der Druckbelastungen, der Gurt zur Aufnahme der Zugkräfte und die U-Profile zusammen mit der quer aufgebrachten Wicklung als Schubverbund für die Aufnahme der Biegebelastung des Pleuels. Als Fasern sollen wegen ihrer Festigkeit und des Elastizitätsmoduls insbesondere Kohlenstoffasern, aber auch Glas oder Kunststoff verwendet werden.

Die Einleitung der Kräfte und die Beanspruchungsbedingungen für ein Pleuel einer Kraftmaschine weichen jedoch erheblich von dem beschriebenen Einsatzfall einer Zug-Druck-Stange für Schienenfahrzeuge ab, so daß eine einfache Übernahme des Aufbaus und Höherdimensionierung dieses bekannten Verbundbauteils nicht in Betracht kommt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Konstruktionslösung für ein Verbundbauteil der eingangs genannten Art vorzulegen, mit dem die Anforderungen für eine Zug-Druck- Stange, die Zug- und Bremskräfte zwischen dem Drehgestell eines Schienentriebfahrzeugs und seinem Wagenkasten übertragen kann und eine definierte Elastizität aufweist, erfüllt werden und das mit einem einfachen Verfahren herstellbar ist.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch die im Anspruch 1 herausgestellten Merkmale. Zweckmäßige Ausgestaltungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 6.

Die Erfindung ist in den Zeichnungen beispielsweise veranschaulicht und nachstehend im einzelnen beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 die Draufsicht und ein teilweises Schnittbild eines Verbundbauteils,

Fig. 2 ein Schnittbild der Seitenansicht des Verbundbauteils nach Fig. 1 und

Fig. 3 zum Vergleich eine Zug-Druck-Stange herkömmlicher Bauweise sowie die Einbaulage einer Zug-Druck-Stange im Schienentriebfahrzeug.

Bei dem in Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß aufgebauten Verbundbauteils nimmt ein stabförmiges Strukturelement 7 die von den Anschlußelementen 8 aus Drehgestellrahmen 1 und Wagenkastenquerträger 2 abgeleiteten Druckkräfte auf und eine das gesamte Verbundbauteil 6 umschlingende Faserverbundwicklung 12 die Zugkräfte.

Am Strukturelement 7 sind stirnseitig metallische Anschlußelemente 8 mit gerundetem Kopf angeordnet, die über ein Krafteinleitungsauge (Lagerauge 9) zur nachträglichen Aufnahme von Gelenkbauteilen verfügen. Diese Konstruktion ermöglicht, die Krafteinleitungsaugen sicher in einer Montage- und Wickeleinrichtung einzuspannen und ihren axialen Abstand voneinander präzise zu kalibrieren.

Das stabförmige, die Druckkräfte von den Anschlußelementen 8 aufnehmende Strukturelement 7 wird aus einer Sandwich-Struktur gebildet, die aus einem Kern 13 und zwei schubsteifen Häuten 14 zusammengefügt ist. Der Kern 13 mit rechteckigem Querschnitt besteht gemäß Ausführungsbeispiel aus Hartschaum. Die in ihrer Längsrichtung drucksteifen Häute 14 sind aus in einer ausgehärteten Kunstharzmatrix eingebetteten achsparallel unidirektionalen Glasfasern hergestellt und unter Druck auf zwei gegenüberliegenden Längsseiten des Kerns 13 aufgeklebt. Diese Häute 14 können aus Vormaterial zugeschnitten oder aus Prepregs gelegt, im Autoklaven konsolidiert und verfestigt und dann zugeschnitten sein.

Die Einleitung der Druckkräfte in das Verbundbauteil 6 erfolgt über die senkrecht zu seiner Längsachse angeordneten Berührungsflächen zwischen dem Kern 13 und den in Längsrichtung drucksteifen Häuten 14 mit den Anschlußelementen 8. Um die Knickgefahr zu verringern, sind die Häute 14 im Krafteinleitungsbereich durch eine U- förmige Stütznut 11 der Anschlußelemente 8 zweiseitig formschlüssig umfaßt und damit gegen Ausknicken gestützt.

Der Kern 13 kann je nach Beanspruchungsbedingungen auch aus anderen Materialien, wie sie beispielhaft in Anspruch 2 genannt sind, bestehen.

Das Gebilde aus stabförmigem Strukturelement 7 und endseitigen Anschlußelemente 8 ist in axialer Richtung von einer Faserverbundwicklung 12 aus einer definierten Anzahl harzimprägnierter Glasrovingfäden umschlungen, die entlang den nicht die schubsteifen Häute 14 tragenden Längsseiten des Kerns 13 verlaufen und die nach dem Umwickeln seitlich auf den Kern 13 kalt aufgepreßt, gehärtet und dann unter Wärmeeinwirkung getempert wurden. Diese Faserverbundwicklung nimmt die in die Zug-Druck-Stange 4 eingeleiteten Zugkräfte auf. Die Anzahl der Umschlingungen der Glasrovingfäden bestimmt sich aus der höchsten aufzunehmenden Zugbeanspruchung; die Vorspannung beim Wickeln ist so gewählt, daß die Glasrovingfäden selbst bei größter Druckbeanspruchung der Zug-Druck-Stange 4 und höchster Wärmedehnung innerhalb der Faserverbundwicklung 12 auf Zug beansprucht bleiben.

Damit die Windungen der Faserverbundwicklung bei der Herstellung wie auch unter Belastung nicht seitlich vom Kopf der Anschlußelemente 8 herabgleiten oder kriechen, sind diese an den Rändern mit einer seitlichen Schulter 10 versehen.

Zur weiteren Massereduzierung bei gleicher Stabilität sind sowohl für die Häute 14 als auch für die Faserverbundwicklung 12 anstelle von Glasfasern Materialien wie Kohlenstoff- oder Aramidfasern (einzeln oder im Hybridverbund, uni- oder multidirektional) einsetzbar. Anstelle einer Kunstharzmatrix kann auch thermoplastisches Matrixmaterial verwendet werden.

Wenn das Verbundbauteil 6 als Zug-Druck-Stange 4 zur Anlenkung an Führungszapfen 3 in seinen Gelenken 5 mit Gelenkbauteilen herkömmlicher, eingangs beschriebener Bauweise ausgestattet würde, müßte die Dimensionierung des stabförmigen Strukturelements 7 und der Faserverbundwicklung 12 berücksichtigen, daß bei kardanischer Auslenkung zwischen Drehgestellrahmen 1 und Wagenkastenquerträger 2 die in den Gelenken 5 eingesetzten Elastomerbauteile verformt würden und daraus eine Drehmomentenbeanspruchung resultierte, die die Zug-Druck-Stange 4 zu verdrehen und/oder zu verbiegen suchte.

Die dem erfindungsgemäß ausgebildeten Verbundbauteil eigene Längselastizität erlaubt es jedoch, in dem Krafteinleitungsauge (Lagerauge 9) des Anschlußele­ ments 8 Radialgelenklager anzuordnen, so daß eine nahezu momentenfreie, nur aus Axialkräften bestehende Beanspruchung des Verbundbauteils 6 erreicht und eine hinsichtlich Raumbedarf und Masse optimale Dimensionierung des Verbundbauteils realisiert werden kann, wobei die wartungsfreien Radialgelenklager nicht den Eigenschaftsveränderungen durch Verschmutzung und Beanspruchung wie die Elastomerteile herkömmlicher Lager unterliegen.

Untersuchungen haben bestätigt, daß die dem Verbundbauteil 6 eigene Längselastizität spürbaren Einfluß auf die Veränderung des Schwingungs- und Fahrverhaltens eines Schienentriebfahrzeugs hat: Die gegenüber herkömmlichen Zug-Druck-Stangen aus metallischen Werkstoffen wesentlich verringerte Steifigkeit des Verbundbauteils 6 reduziert die im Wagenkasten des Schienentriebfahrzeugs angeregten Biegeschwingungen derart, daß die im Wagenkasten wirkenden Vertikalbeschleunigungen vermindert werden, auf die im Wagenkasten untergebrachten Baugruppen und Bauteile geringere dynamische Belastungen wirken und der Fahrkomfort auf dem Führerstand des Schienentriebfahrzeugs deutlich verbessert wird.

Es kann bei bestimmten Einsatzfällen zweckmäßig sein, die Schubsteifigkeit des Verbundbauteils 6 zu erhöhen, indem zumindest über einen Teil der Länge des stabförmigen Strukturelements 7 eine zusätzliche (in den Zeichnungen nicht dargestellte) Umhüllung aufgebracht wird. Diese Umhüllung kann z. B. aus einem harzgetränkten Gewebeschlauch oder einer (an sich bekannten) senkrecht zur Längsachse aufgebrachten Umwicklung aus harzgetränkten Verstärkungsfasern bestehen, die anschließend gepreßt und ausgehärtet werden. Zum Schutz vor Umwelteinflüssen und mechanischer Beschädigung kann es erforderlich sein, daß auf dem Verbundbauteil 6 eine zusätzliche Umhüllung oder Beschichtung (z. B. aus einem hochdämpfenden Elastomer; in den Zeichnungen nicht dargestellt) aufgebracht ist. Zur Verbesserung des Brandverhaltens ist es zweckmäßig, daß die Umhüllung oder Beschichtung mit geeigneten flammwidrigen Harzsystemen, vorzugsweise Phenolharz, getränkt ist.

Der Einsatz eines Verbundbauteils der beschriebenen Art ist auch bei anderen Einsatzfällen insbesondere bei Schienenfahrzeugen denkbar, wo die elastische Übertragung von Zug- und Druckkräften erforderlich ist.

Claims (6)

1. Verbundbauteil als Zug-Druck-Stange für Schienenfahrzeuge mit

• a) endseitigen Anschlußelementen (8) zur axialen Einleitung von Druck- und Zugkräften,
• b) einem für die Aufnahme und Übertragung von Druckkräften ausgebildeten stabförmigen Strukturelement (7), das als Sandwich-Verbundkonstruktion aus einem längsverlaufenden Kern (13) und zwei auf gegenüberliegenden Längsseiten des Kerns (13) angeordneten, in ihrer Längsrichtung drucksteifen Häuten (14) ausgeführt ist, und
• c) einer für die Aufnahme von Zugkräften das stabförmige Strukturelement (7) in Längsrichtung umschlingenden und über die Anschlußelemente (8) sowie entlang der von den Häuten (14) freien Längsseiten des Kerns (13) verlaufenden vorgespannten Faserverbundwicklung (12), die aus einer definierten Anzahl von Umschlingungen eines oder mehrerer Verstärkungsfasern besteht, die in einem gehärteten Matrixmaterial eingebettet sind.

2. Verbundbauteil nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Kern (13) aus einem Hartschaum, einem Wabenmaterial, thermoplastischen Formteilen, gepreßten oder pultrudierten Profilen, einer uni- oder multidirektionalen Mono- oder Hybrid-Faserverbundkonstruktion oder aus Holz besteht.

3. Verbundbauteil nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß die drucksteifen Häute (14) aus in einem gehärteten Matrixmaterial eingebetteten unidirektional und achsparallel angeordneten Verstärkungsfasern bestehen und mit dem Kern (13) verklebt sind.

4. Verbundbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Anschlußelemente (8) zur Übertragung der Druckkräfte in das stabförmige Strukturelement (7) auf den axialen Stirnseiten des Kerns (13) und der Häute (14) flächig abgestützt sind und die Häute (14) im Krafteinleitungsbereich durch eine schlitzförmige Stütznut (11) zweiseitig formschlüssig umfaßt sind.

5. Verbundbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß die Anschlußelemente (8) jeweils ein quer zur Längsachse des Verbundbauteils liegendes Lagerauge (9) aufweisen, das für das Einpressen eines Gummigelenk- oder Radialgelenklagers ausgebildet ist.

6. Verbundbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, daß das von der Faserverbundwicklung (12) umschlungene stabförmige Strukturelement (7) eine zusätzliche äußere, seine Druckstabilität erhöhende Umhüllung und/oder einen gegen Umwelteinflüsse und Beschädigung wirksamen schlauch- oder schichtförmigen Schutz, der schlagzäh und/oder flammhemmend ausgestattet sein kann, trägt.