DE69404205T2

DE69404205T2 - Stossdämpfende Vorrichtung

Info

Publication number: DE69404205T2
Application number: DE69404205T
Authority: DE
Inventors: Louis-Marie Cleon; Marwan Dannawi; Pierre-Henri Guardiola; F- Cravanche Van Iv; Albert Metzger
Original assignee: GEC Alsthom Transport SA
Current assignee: Alstom Transport SA
Priority date: 1993-04-23
Filing date: 1994-04-22
Publication date: 1997-11-06
Anticipated expiration: 2014-04-23
Also published as: KR100281452B1; DE69404205D1; FR2704286B1; EP0621416B1; FR2704286A1; EP0621416A1; US5462144A; ATE155557T1; CA2121995C; TW254901B; CA2121995A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Stoßdämpfervorrichtung.
Es sind Stoßdämpfervorrichtungen bekannt, die aus Systemen mit reversibler Verformung bestehen, die auf einem Abbau der Energie durch trockene oder viskose Reibung beruhen. Im Bereich der Schienenfahrzeuge sind sie somit in den Puffern und den Kartuschen der automatischen Kupplungen installiert. Diese Systeme haben den Nachteil, ein niedriges Energieabsorptionsniveau von etwa 50 kJ je Organ aufzuweisen.
Eine andere Stoßdämpfervorrichtung besteht aus dem Schild auf einem Triebwagen, insbesondere für einen Hochgeschwindigkeitszug. Ein solcher Schild besteht aus einer wabenförmigen Struktur oder aus durch Kompression Arbeit verrichtenden Rohren. Es handelt sich um ein angesetztes und platzraubendes Teil, das den Nachteil hat, bei der Übertragung der Längskräfte auf das Chassis nicht mitzuwirken. Außerdem schützt dieses Teil nur den Fahrer.
Die Sicherheit der Fahrgäste eines Zugs bei einem Zusammenstoß wird zur Zeit sehr ernst genommen. Die Erhöhung der Fahrgeschwindigkeit der Züge erhöht beträchtlich die Gefahren bei einem Unfall. Eine Reihe von kürzlichen Unfällen hat gezeigt, daß die Fortschritte auf dem Gebiet der Signalisation nicht alle Gefahren von Zusammenstößen auszuschalten.
Es ist also notwendig, über eine wirksamere Stoßdämpfervorrichtung zu verfügen, als sie derzeit vorhanden ist. Diese Vorrichtung muß bei einem Stoß ein Zusammenquetschen gemäß der Hauptachse der Zugmaschine hervorrufen, um zu verhindern, daß die Maschine sich auf dem Gleis querstellt. Sie darf auch nicht zu schwer sein, um die für die Züge geforderten Gewichtsbegrenzungen je Wagenachse einzuhalten. Sie muß auch geringe Abmessungen aufweisen, da ein Platzgewinn sowohl bei den Zugmaschinen als auch in den Reisezugwagen sehr erwünscht ist.
Die Druckschrift EP-A 0 467 193 beschreibt eine Stoßdämpfervorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die vorliegende Erfindung vermeidet die Nachteile gemäß dem Stand der Technik und erfüllt die Forderungen hinsichtlich Wirksamkeit, Gewicht und Platzbedarf. Sie ist besonders gut geeignet für den Schienenverkehr, bei dem die im Fall eines Stoßes zu absorbierende Energie beträchtlich sein kann. Sie kann aber auch auf anderen Gebieten angewendet werden, um den möglichen Zusammenstoß zwischen einer beweglichen Maschine und einem Hindernis oder zwischen zwei beweglichen Maschinen (Automobile, Fahrstühle usw.) zu dämpfen.
Die Wirksamkeit der Vorrichtung liegt in der besonderen Form ihres Querschnitts in Richtung des Stoßes.
Die Erfindung hat also eine Stoßdämpfervorrichtung zum Gegenstand, die mindestens ein mechanisches Element aufweist, das durch seine Verformung die durch einen Stoß in einer gegebenen Richtung erzeugte Energie absorbiert, dadurch gekennzeichnet, daß das Element aus dünnen Platten besteht, deren Senkrechte zu ihren Flächen senkrecht zur Stoßrichtung liegen, daß sein Querschnitt in einer Ebene senkrecht zur Stoßrichtung die Form von mindestens zwei Dreiecken aufweist, die eine gemeinsame Spitze haben, und daß die Dicke der Platten so berechnet ist, daß das Element sich unter der Einwirkung eines Stoßes durch lokalisiertes Knicken der Platten ziehharmonikaförmig zusammenfaltet.
Das Element kann Verstärkungen aufweisen, die zwischen den beiden Dreiecken und in Ebenen senkrecht zur Stoßrichtung angeordnet sind.
Das Element kann vertiefte Bereiche aufweisen. Diese Bereiche ermöglichen die Einleitung der Verformung und das Absenken des Werts der Verformungskraft.
Die beiden Dreiecke können identische Dreiecke sein, deren Spitzen aneinanderstoßen.
Das Element kann dünne Platten zum Verschließen der Winkel zwischen den beiden Dreiecken aufweisen. Das Element kann aus Stahl sein.
Der Querschnitt des Elements kann Bereiche mit unterschiedlichen Koeffizienten der Elastizitätsgrenze aufweisen.
Das Element kann aus dünnen Platten bestehen, die gefaltet und zusammengeschweißt sind, um miteinander den Querschnitt zu bilden. Dies hat den Vorteil, seine Herstellung zu vereinfachen.
Die Erfindung betrifft auch ein Fahrzeug, dadurch gekennzeichnet, daß es in seinem Gestell mindestens eine wie oben definierte Stoßdämpfervorrichtung aufweist, wobei die Vorrichtung zwischen unverformbaren Teilen des Gestells angeordnet ist.
Die Stoßdämpfervorrichtung wird vorteilhafterweise in das Chassis des Fahrzeugs eingefügt.
Da das Chassis Rahmenwangen und Längsträger aufweist, kann die Vorrichtung Elemente enthalten, die deren Stelle einnehmen.
Das Chassis kann im vorderen Bereich des Fahrzeugs eine Stoßdämpfervorrichtung aufweisen, wobei diese Vorrichtung ein zentrales Element entlang der Achse des Fahrzeugs und zwei seitliche Elemente besitzt, die so angeordnet sind, daß sie ein V bilden, dessen Spitze zum vorderen Bereich des Fahrzeugs zeigt.
Diese Seitenelemente können Querschnitte in Form eines hohlen Rechtecks mit einer einzigen Diagonale aufweisen.
Wenn das Fahrzeug ein Schienenfahrzeug mit einer hinteren Traverse und einem Drehschemel entsprechend dem benachbarten Drehgestell ist, kann die Vorrichtung in das Chassis zwischen die hintere Traverse und den Drehschemel eingefügt sein.
Nachfolgend werden die Erfindung und weitere Einzelheiten und Merkmale anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße Stoßdämpfervorrichtung, wobei diese Vorrichtung aus einem einzigen Längselement besteht.
Figur 2 zeigt eine Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Stoßdämpfervorrichtung.
Figur 3 zeigt eine Variante der erfindungsgemäßen Stoßdämpfervorrichtung.
Figur 4 zeigt ein Chassis eines Schienenfahrzeugs, das erfindungsgemäße Stoßdämpfervorrichtungen enthält.
Figur 5 ist eine Teilansicht des Chassis des Schie nenf ahrzeugs aus Figur 4 gemäß der Linie V-V.
Figur 6 ist eine Teilansicht des Chassis des Schienenfahrzeugs aus Figur 4 gemäß der Linie VI-VI.
Figur 7 ist eine Ansicht des Chassis des Schienenfahrzeugs aus Figur 4 gemäß der Linie VII-VII.
Die in Figur 1 dargestellte Stoßdämpfervorrichtung besteht aus einem einzigen Längselement 1, das in Stoßrichtung Oz ausgerichtet ist. Der Querschnitt dieses Elements, der die Form von zwei Dreiecken 2 und 3 mit einer gemeinsamen Spitze hat, befindet sich in der Ebene xOy, die senkrecht zur Stoßrichtung liegt. Die Seiten der Dreiecke 2 und 3 sind die metallischen Wände des Elements 1. Die Seiten der Dreiecke können gerade oder leicht gekrümmt sein. Die Winkel der Dreiecke können abgerundet sein oder nicht, wie es die Figur zeigt.
Das Element 1 besteht aus einer dünnen Platte. Im Fall der Figur 1 wurde es aus drei Platten 4, 5 und 6 hergestellt, die mittels Schweißnähten 7, 8, 9 und 10 aneinandergeschweißt wurden. Die Platten 4 und 6 wurden gebogen, um Winkel für die Dreiecke 2 und 3 zu bilden.
Das die dünnen Platten bildende Material hängt von der Energiemenge ab, die die Vorrichtung absorbieren soll. Stahl ermöglicht die Absorption einer großen Energiemenge.
Das Element 1 besteht aus einer dünnen Platte, damit es sich unter der Einwirkung eines Stoßes ausreichender Energie in Stoßrichtung ziehharmonikaförmig zusammenfaltet. Stoßversuche haben gezeigt, daß diese Struktur ein doppelt vorteilhaftes Verhalten besitzt. Einerseits kann sie sich um etwa 70% ihrer ursprünglichen Länge zusammenquetschen, was außergewöhnlich ist. Andererseits erfolgt das Zusammenquetschen ohne allgemeines Knicken des Elements, denn das Element wird ohne Richtungsänderung zusammenquetscht.
Die Dicke der dünnen Platten hängt von den Außenmaßen des Elements ab. Unter der Einwirkung eines Stoßes muß sich das Element durch lokalisiertes Knicken der dünnen Platten ziehharmonikaförmig zusammenfalten können. Berechnungen und Versuche ermöglichen es, die Dicke in Abhängigkeit von den Außenabmessungen des Elements für eine gegebene zu absorbierende Energiemenge zu optimieren.
Aus Symmetriegründen werden die besten Ergebnisse für einen Elementquerschnitt erhalten, der zwei identische Dreiecke enthält, deren Spitzen aneinanderstoßen. Anders gesagt hat der Querschnitt die Form eines X, von dem zwei entgegengesetzte Seiten geschlossen sind.
Für einen Einsatz oder bei einem Quetschversuch werden die Enden 12 und 13 je auf eine Konsole geschweißt, wobei das Element durch seine Verformung die durch einen Stoß erzeugte Energie absorbieren soll. Die ziehharmonikaförmige Verformung des Elements erfolgt, indem die Querabmessungen des Elements in etwa beibehalten werden.
Lokale Verstärkungen 11 können zwischen den beiden Dreiecken 2 und 3 in Ebenen senkrecht zur Stoßrichtung vorgesehen werden. Sie werden vorteilhafterweise durch Schweißen befestigt und verleihen dem Element eine bessere Torsionsstabilität.
In der in Figur 2 dargestellten Ausführungsvariante besitzen die Platten 4, 5 und 6 lokale vertiefungen 14. Berechnungen und Versuche ermöglichen die Bestimmung und die Position dieser Vertiefungen.
Die in Figur 3 dargestellte Vorrichtung 15 kann Stöße größerer Energie als die soeben beschriebene Vorrichtung dämpfen. Die Basisstruktur ist die gleiche wie in Figur 1, wobei gleiche Elemente die gleichen Bezugszeichen tragen. Die Winkel zwischen den Dreiecken 2 und 3 werden hier durch dünne Platten 16 und 17 verschlossen, die mittels Schweißnähten 18, 19 und 20, 21 auf den Rest des Elements geschweißt werden.
Bei einem Zusammenquetschen gemäß der Achse Oz wie oben beschrieben bilden die Platten 16 und 17 Wellen, wobei die Querabmessungen des Elements in etwa gleich bleiben.
Eine Stoßdämpfervorrichtung kann mehrere Elemente wie die Elemente 1 und 15 in paralleler Anordnung aufweisen, um einen auf eine relativ große Oberfläche ausgeübten Stoß zu dämpfen. Man kann eine solche Vorrichtung bei Schienenfahrzeugen verwenden, um bei einem Unfall auftretende heftige Stöße zu dämpfen. Es ist dann besonders vorteilhaft, diese Vorrichtung in ein Chassis eines Schienenfahrzeugs zu integrieren, um einen Bereich zu bilden, der im Fall eines Stoßes als "Schmelzzone" dient.
Figur 4 zeigt ein Chassis 25 eines Schienenfahrzeugs mit zwei erfindungsgemäßen Stoßdämpfervorrichtungen 26 und 27. Das Chassis besitzt zwei Rahmenwangen 31 und 32, zwischen denen zwei Drehschemel, nämlich der vordere Drehschemel 33 und der hintere Drehschemel 34, angeordnet sind, die auf Drehgestellen ruhen sollen. Hinten werden die Rahmenwangen durch eine hintere Traverse 35 verbunden. Vorne verlängern sich die Rahmenwangen 31 und 32 und der vordere Drehschemel 33 in einem vorderen Bereich, der die Stoßdämpfervorrichtung 27 umfaßt.
Längsträger 36 und 37 verbinden die Drehschemel 33 und 34. Weitere Längsträger vervollständigen sie, nämlich die Längsträger 40 und 41 nach vorne ausgehend vom Drehschemel 33.
Hinten schiebt sich die Stoßdämpfervorrichtung 26 in das Chassis 25 zwischen die hintere Traverse 35 und die Enden der Rahmenwangen 31, 32 und den Drehschemel 34. Die Vorrichtung 26 enthält mehrere Elemente. Die äußeren Elemente 42 und 43 sind in die Rahmenwangen 31 und 32 eingefügt. Die inneren Elemente 44 und 45 verlängern die Elemente 38 und 39 bis zur hinteren Traverse 35.
Damit die Energieabsorptionselemente sich wirksam unter der Wirkung eines heftiges Stosses zusammenquetschen können, müssen die anderen Bestandteile des Chassis deutlich weniger leicht verformbar sein als die Elemente 42, 43, 44 und 45. Örtliche Verstärkungen des Gestells des Chassis können dann vorgesehen werden.
Da der einen Drehschemel umgebende Raum im allgemeinen keinen Platz bietet, wurde die Vorrichtung 26 absichtlich in der Länge begrenzt. Man sieht in Figur 4, daß die Elemente 42 und 43 länger sind als die Elemente 44 und 45.
Die Elemente 44 und 45 werden durch Schweißung über verstärkte Teile 46 und 47, die sich zur hinteren Traverse hin ausweiten, fest mit der hinteren Traverse 35 verbunden. Diese Teile 46 und 47 dienen als Sockel für die Elemente 44 und 45. Das Element 44 wird durch Schweißen unter Zwischenfügung einer Metallplatte, die als Sockel für das Element 44 dient, fest mit dem Element 38 verbunden. Gleiches gilt für die Verbindung zwischen dem Element 45 und dem Element 39. Eine Zwischentraverse 48 ist zwischen die Elemente 38 und 39 in der Nähe der Elemente 44 und 54 geschweißt.
Die Elemente 42 und 43 werden durch Schweißen an die Rahmenwangen 31 und 32 unter Zwischenfügung von Metallplatten angefügt, die als Sockel für diese Elemente dienen. Die Rahmenwangen werden an ihrer Verbindungsstelle mit den Elementen 42 und 43 durch Verstärkungsstücke 49 verstärkt.
Diese Verstärkungsstücke sowie die Nähe des Drehschemels 34 und der hinteren Traverse 35, die die Rahmenwangen versteifen, führen dazu, daß diese Rahmenwangenteile in Bezug auf die Dämpfungsvorrichtung als unverformbar angesehen werden können.
Figur 5 zeigt nur den linken Teil des Schnitts V-V aus Figur 4, wobei der rechte Teil ihm symmetrisch gleicht. Die Achse 51 stellt die zentrale senkrechte Achse des Fahrzeugs dar. Die Elemente 42 und 44 sind im Schnitt zu sehen. Das Element 42 ist von der in Figur 1 gezeigten Art, Es wird aus mehreren dünnen Platten 52, 53 und 54 gebildet, die ggf. gefaltet und miteinander verschweißt sind. Zur Befestigung der Bleche der Seitenflächen ist es notwendig und nicht störend für das System, dort einen Ansatz 56 hinzuzufügen, der sich im unteren Bereich befindet und an eine Verlängerung 55 der Platte 52 angeschweißt ist.
Das Element 44 ist von der in Figur 3 gezeigten Art. Es wird aus mehreren dünnen Platten 61, 62, 63, 64 und 65 gebildet, die ggf. gefaltet und aneinandergeschweißt sind. Das Element 44 hat so die gleiche äußere Form wie die Längsträger des Chassis.
Da die Konzentrationen der Belastungen im Querschnitt der Elemente 42 und 44 nicht gleichmäßig sind, kann man diese Belastungsunterschiede durch Qualitätsunterschiede bei den verwendeten Materialien kompensieren. Wenn z.B. das Chassis aus Stahl mit hoher Elastizitätsgrenze ist (Qualität E490D), können die Platten 52, 53, 61, 62 und 65 aus einem Stahl der Qualität E24, die Platten 63 und 64 aus Stahl der Qualität E36 und die Platten 55 und 56 aus Stahl der Qualität E490D sein.
Zum Beispiel kann die Dicke der Platten 4 mm bei einer Höhe h von 195 mm und einer Breite l von 110 mm für das Element 42 und bei einer Höhe h' von 130 mm und einer Breite l' von 220 mm für das Element 44 betragen.
Figur 6 zeigt nur den linken Teil des Schnitts VI-VI aus Figur 4, wobei der rechte Teil symmetrisch gleich ist. Die Achse 71' stellt die zentrale senkrechte Achse des Fahrzeugs dar. Die Rahmenwange 31 und das Element 38 sind im Schnitt zu sehen. Die Rahmenwange 31 besteht aus einer gefalteten Platte 71.
Das Element 38 wird durch Verschweißung der Platten 69, 70, 72, 73 und 74 gebildet.
Im vorderen Bereich des Chassis (siehe Figur 4) enthält die Stoßdämpfervorrichtung 27 ein zentrales Element 75, das entlang der zentralen Längsachse des Fahrzeugs angeordnet ist, und zwei seitliche Elemente 76 und 77, die V-förmig angeordnet sind, wobei die der Spitze des V nach vorne zeigt. Diese Vorrichtung befindet sich zwischen einer vorderen Endplatte 78, die einen eventuellen Stoß auffangen soll, und einer Traverse 79, die mit dem Rest des Chassis durch eine steife mechanische Struktur verbunden ist, die eine Übertragung der Kräfte zwischen der Traverse 79 und dem vorderen Drehschemel 33 gewährleistet. Diese steife Struktur enthält die Längsträger 40 und 41, die Traversenelemente 80, 81 und 82 und die Balken 83, 84, 85, 86, 87 und 88.
Figur 7 zeigt die Elemente 75, 76 und 77 im Schnitt. Das Element 75 ist von der in Figur 3 gezeigten Art. Es wird ausgehend von mehreren dünnen Platten 89, 90, 91, 92, 93, 67 und 68 gebildet, die aneinandergeschweißt sind.
Die Elemente 76 und 77 besitzen nicht diese charakteristische erfindungsgemäße X-förmige Struktur. Das Element 76 wird ausgehend von mehreren dünnen Platten 94, 95 und 96 gebildet, die ggf. gefaltet und aneinandergeschweißt sind. Die Platte 94 bildet eine Diagonale für das vom Querschnitt des Elements 76 gebildete Rechteck. Diese Diagonale verläuft von links oben nach rechts unten.
Das Element 77 wird ausgehend von mehreren dünnen Platten 97, 98 und 99 gebildet, die ggf. gefaltet und aneinandergeschweißt sind. Die Platte 97 bildet eine Diagonale für das vom Querschnitt des Elements 77 gebildete Rechteck.
Diese Diagonale verläuft von rechts oben nach links unten.
Es gehört auch zur vorliegenden Erfindung, die Stoßdämpfervorrichtung als Schienenprofile und durch Ziehen herzustellen.

Claims

1. Stoßdämpfervorrichtung, die mindestens ein mechanisches Element (1) aufweist, das durch seine Verformung die durch einen Stoß in einer gegebenen Richtung erzeugte Energie absorbiert, dadurch gekennzeichnet, daß das Element aus dünnen Platten (4, 5, 6) besteht, deren Senkrechte auf ihren Flächen senkrecht zur Stoßrichtung liegen, daß sein Querschnitt in einer Ebene senkrecht zur Stoßrichtung die Form von mindestens zwei Dreiecken (2, 3) aufweist, die eine gemeinsame Spitze haben, und daß die Dicke der Platten (4, 5, 6) so berechnet ist, daß das Element (1) sich unter der Einwirkung eines Stoßes durch lokalisiertes Knicken der Platten (4, 5, 6) ziehharmonikaförmig zusammenfaltet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Element Verstärkungen (11) aufweist, die zwischen den beiden Dreiecken und in Ebenen senkrecht zur Stoßrichtung angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Element vertiefte Bereiche (14) aufweist.

4. Vorrichtung nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Dreiecke (1, 2) identische Dreiecke sind, deren Spitzen aneinanderstoßen.

5. Vorrichtung nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Element (15) dünne Platten (16, 17) zum Verschließen der Winkel zwischen den beiden Dreiecken (1, 2) aufweist.

6. Vorrichtung nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Element aus Stahl ist.

7. Vorrichtung nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt Bereiche mit unterschiedlichen Koeffizienten der Elastizitätsgrenze aufweist.

8. Vorrichtung nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Element aus dünnen Platten besteht, die gefaltet und zusammengeschweißt sind, um miteinander den Querschnitt zu bilden.

9. Fahrzeug, dadurch gekennzeichnet, daß es in seinem Gestell mindestens eine Stoßdämpfervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 aufweist, wobei die Vorrichtung zwischen unverformbaren Teilen des Gestells angeordnet ist.

10. Fahrzeug nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung in das Chassis (25) des Fahrzeugs eingefügt ist.

11. Fahrzeug nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß wenn das Chassis (25) Rahmenwangen (31, 32) und Längsträger (36, 37) aufweist, die Vorrichtung Elemente (38, 39, 42, 43, 44, 45) enthält, die deren Stelle einnehmen.

12. Fahrzeug nach einem beliebigen der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Chassis (25) im vorderen Bereich des Fahrzeugs eine Stoßdämpfervorrichtung (27) 30 aufweist, wobei diese Vorrichtung ein zentrales Element (75)s entlang der Achse des Fahrzeugs und zwei seitliche Elemente (76, 77) besitzt, die so angeordnet sind, daß sie ein V bilden, dessen Spitze zum vorderen Bereich des Fahrzeugs zeigt.

13. Fahrzeug nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenelemente (76, 77) Querschnitte in Form eines hohlen Rechtecks mit einer einzigen Diagonale aufweisen.

14. Fahrzeug nach einem beliebigen der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß, wenn das Fahrzeug ein Schienenfahrzeug mit einer hinteren Traverse (35) und einem Drehschemel (34) entsprechend dem benachbarten Drehgestell ist, die Vorrichtung in das Chassis (25) zwischen die hintere Traverse und den Drehschemel eingefügt ist.