EP2334533B1 - Fahrzeugkopf zur befestigung an der stirnseite eines spurgebundenen fahrzeuges, insbesondere eines schienenfahrzeuges - Google Patents

Fahrzeugkopf zur befestigung an der stirnseite eines spurgebundenen fahrzeuges, insbesondere eines schienenfahrzeuges Download PDF

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EP2334533B1
EP2334533B1 EP09783059.0A EP09783059A EP2334533B1 EP 2334533 B1 EP2334533 B1 EP 2334533B1 EP 09783059 A EP09783059 A EP 09783059A EP 2334533 B1 EP2334533 B1 EP 2334533B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
energy
vehicle head
structural elements
vehicle
fiber
Prior art date
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EP09783059.0A
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French (fr)
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EP2334533A1 (de
Inventor
Andreas Heinisch
Reiner Krause
Uwe Beika
Sascha Ende
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Voith Patent GmbH
Original Assignee
Voith Patent GmbH
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
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    • B61C17/00—Arrangement or disposition of parts; Details or accessories not otherwise provided for; Use of control gear and control systems
    • B61C17/04—Arrangement or disposition of driving cabins, footplates or engine rooms; Ventilation thereof
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B61D17/00—Construction details of vehicle bodies
    • B61D17/04—Construction details of vehicle bodies with bodies of metal; with composite, e.g. metal and wood body structures
    • B61D17/06—End walls
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61F—RAIL VEHICLE SUSPENSIONS, e.g. UNDERFRAMES, BOGIES OR ARRANGEMENTS OF WHEEL AXLES; RAIL VEHICLES FOR USE ON TRACKS OF DIFFERENT WIDTH; PREVENTING DERAILING OF RAIL VEHICLES; WHEEL GUARDS, OBSTRUCTION REMOVERS OR THE LIKE FOR RAIL VEHICLES
    • B61F19/00—Wheel guards; Bumpers; Obstruction removers or the like
    • B61F19/04—Bumpers or like collision guards
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61G—COUPLINGS; DRAUGHT AND BUFFING APPLIANCES
    • B61G11/00—Buffers
    • B61G11/16—Buffers absorbing shocks by permanent deformation of buffer element

Definitions

  • the invention relates to a vehicle head with a frame for attachment to the end face of a rail vehicle, wherein the frame is constructed entirely of structural elements, which are formed from fiber composite material.
  • a frame for a vehicle cabin of a rail vehicle wherein the frame is constructed of frame members which define the front, bottom and roof parts and the lateral parts of the vehicle cabin.
  • the frame known from this prior art has a plurality of compliant regions distributed on the frame members.
  • the yielding regions yield, so that the frame can adapt to the contours of the collision opponent, whereby the due to the collision introduced into the frame impact energy is at least partially degraded.
  • a cabin for a rail vehicle said cabin is not attached to the front side of the rail vehicle, but mounted on a horizontal platform. Since the cabin known from this prior art is made entirely of fiber composite material for reasons of weight, it has been refrained from equipping the cabin itself with a shock absorber for absorbing the impact energy occurring in the event of a crash. Rather, such a shock absorber is integrated in the substructure or in the platform on which the cabin is mounted.
  • the publication DE 196 49 526 A1 describes a vehicle head which is designed for attachment to the end face of a rail vehicle, wherein the walls and the roof of the vehicle head due to weight reasons, consist of a composite material and are detachably connected to the lower part and the car body of the rail vehicle.
  • the well-known from this state of the art vehicle head is - as well as from the EP 0 533 582 B2 known cabin - executed without shock protection.
  • the publication FR 2 715 904 A1 relates to the front end portion of a rail vehicle, wherein a special structure is used, which should not destroy the driver's position in an impact on an obstacle.
  • the front end portion of the known from this prior art vehicle consists of a cabin in which the driver's cab is received. This cabin is connected to a vehicle frame in such a way that the cabin is pushed out of the collision area in the event of an impact on an obstacle in a vertical upward direction.
  • this tapered surfaces are used, which form a receptacle for the cabin. In the event of a collision, the frame is compressed, as a result, the inclined surfaces move towards each other and the cabin is moved in the vertical direction upwards.
  • the publication EP 0 802 100 A1 relates to the driver's station of a rail vehicle having an energy absorbing structure with progressive deformation. Specifically, it is provided that on the steel frame made of a driver's cab energy-absorbing elements attached (screwed) are.
  • Shock guards are so-called crash structures, i. Components which deform in an impact of the vehicle on an obstacle at least partially in a predetermined manner.
  • the impact energy should be specifically converted into deformation energy in order to reduce forces acting on vehicle occupants.
  • shock protection lateral buffer elements or crash boxes which absorb or consume at least part of the impact energy in a crash.
  • the energy absorption that can be achieved with such a shock absorber is often insufficient to effectively protect the body against damage.
  • the object of the invention is to optimize a vehicle head designed for attachment to the front side of a rail vehicle in such a way that the impact energy acting on the vehicle head in the event of a crash can be reduced as much as possible from the structure of the vehicle head to the maximum accelerations and forces to limit the vehicle structure, with an uncontrolled deformation of the construction should be effectively prevented, with the aim of ensuring a survival in the event of a crash for the driver.
  • a vehicle head is proposed to improve the crash behavior of rail vehicles according to the invention, which has a vehicle head structure, which is constructed entirely of structural elements, these structural elements are primarily formed of fiber composite material.
  • these structural elements constituting the vehicle head structure include both structural elements without energy consumption, which are referred to below as “first structural elements”, and structural elements with energy consumption, which are referred to below as “second structural elements”.
  • first structural elements include all structural elements that serve to form a substantially deformation-resistant, self-supporting vehicle head structure. This substantially rigid self-supporting structure accommodates the cab of the rail vehicle. Since the cab is thus surrounded by a deformation-resistant head structure, which is not significantly deformed even in the event of a crash, the survival space for the driver remains within the rail vehicle head.
  • the second structural elements serve functionally the structural elements with energy consumption, ie the second structural elements, to at least partially absorb or reduce the resulting in a crash due to an impact force and introduced into the vehicle head impact energy, so that the self-supporting structure of the vehicle head constructed from the first structural elements is not affected.
  • the second structural elements are preferably fastened to the self-supporting structure of the vehicle head constructed by the first structural elements.
  • the second structural elements are in the self-supporting manner Structure taken together that they form a unit together with the self-supporting structure.
  • the structural elements are formed entirely from fiber composite material, it is in particular conceivable to join the second structural elements in a materially bonded manner to the first structural elements, for example to bond them.
  • the second structural elements can be integrated in the self-supporting vehicle head structure constructed from the first structural elements, wherein the second structural elements are detachably or non-detachably received in the first structural elements such that a unit is formed which has a dual function, namely a support function on the one hand the first structural elements are provided, and on the other hand, an energy dissipation function provided by the second structural elements.
  • the structural elements that make up the vehicle head structure are formed entirely from fiber composite material.
  • the structural elements constituting the vehicle head structure are formed almost completely from fiber composite material, not only the weight of the vehicle head structure can be considerably reduced, compared to a vehicle head structure constructed in metal construction.
  • the structural elements formed of fiber composite material are characterized by their specific strength, so that the substantially deformation-resistant self-supporting vehicle head structure constructed from the first structural elements does not fail even in the event of a collision, i. deforms uncontrollably, whereby the survival of the driver in the cab remains guaranteed.
  • the second structural elements which at least partially consume the impact energy generated in a crash and introduced into the vehicle head structure, likewise consist of fiber composite material, a significantly higher weight-specific energy absorption can be achieved in comparison to conventional deformation tubes made of metal.
  • the invention provides that the second structural elements are designed according to their response in the second Structure elements initiated impact energy to reduce at least partially by non-ductile destruction of the fiber composite material of the second structural elements.
  • the self-supporting structure of the vehicle head constructed with the first structural elements is substantially rigid in terms of deformation, a survival space in the driver's cab received by the self-supporting head structure is retained even in the event of a collision of the rail vehicle (crash case).
  • the first structural elements are designed and connected to one another in such a way that the fraction of the impact energy introduced into the vehicle head in the event of a crash is transmitted to a carriage structure of the rail vehicle connected to the vehicle head. There, the impact energy can be consumed by the shock protection elements of the car structure of the rail vehicle finally.
  • the first structural elements are structurally designed so that they deform controlled and thus a further energy absorption without (uncontrolled) collapse of the vehicle head structure can take place.
  • the first structural elements have two A-pillars respectively arranged on the sides of the vehicle head structure and a roof structure which firmly connects the upper region of the two A-pillars to form the substantially deformation-resistant, self-supporting head structure. Pillars and the roof structure firmly connected thereto are designed to transmit the fraction of the impact energy introduced into the vehicle head into the car structure of the rail vehicle which is not already decoupled from the second structural elements in the event of a crash.
  • the first structural elements also have side struts, which are each firmly connected to the lower region of the two A-pillars and serve to transmit impact forces in the car structure of the rail vehicle.
  • side struts which serve for impact force transmission from the two A-pillars in the car structure of the rail vehicle
  • A-pillars arcuate, with a lower Structural element is provided, which is fixedly connected to the upper end portions of the A-pillars and designed to transfer in the crash case not already degraded by the second energy absorbing part of the introduced into the A-pillar impact force in the connected to the vehicle head carriage structure of the rail vehicle. Due to the arcuate design of the A-pillars can be dispensed with side struts.
  • these structural elements consist of a hollow profile formed from fiber composite material, in which optionally for further increasing the rigidity preferably a support material, in particular a support foam is added.
  • the first structural elements In order to structurally connect the two A-pillars and thus to increase the rigidity of the self-supporting frame structure formed with the first structural elements, it is preferred if the first structural elements have at least one parapet element, which for the structural connection of the two A-pillars the lower one Area of the A-pillars connects with each other. Furthermore, it is preferred if the first structural elements have a deformation-resistant end wall, which is likewise formed from fiber composite material and connected to the parapet element such that the deformation-resistant end wall together with the parapet element form an end face of the vehicle head structure, and thus the vehicle driver's seat received in the self-supporting frame structure protect against intrusions in the event of a crash.
  • a collision front wall which forms at least a portion of the clutch-side end surface of the vehicle head structure, wherein the parapet element and / or the end wall constitute / represent an important component for penetration prevention.
  • the end wall forming the collision front wall may be made of various fiber composite / fiber composite sandwich components, in particular with the reinforcing materials glass, aramid, dyneema and / or carbon fiber.
  • the end wall together with the parapet element represents a crucial structural connection element for stabilizing the entire self-supporting structure of the vehicle head.
  • the solution according to the invention is characterized, inter alia, by the fact that in the self-supporting (rigid) frame structure of the rail vehicle head formed with the first structural elements, second structural elements, i. Structural elements with energy consumption, are integrated.
  • these second structural elements have at least one first energy dissipation element formed of fiber composite material, this first energy dissipation element being designed to respond when a critical impact force is exceeded and at least part of the impact force transmission and into the first Dissipate energy consumption element initiated impact energy by non-ductile destruction of at least part of the fiber structure of the first energy dissipation element.
  • This mechanism of defibering and pulverization is characterized by its high degree of utilization in energy consumption, which - compared to, for example, a metal-built upset or deformation tube (expansion or constriction tube) a significantly higher weight and space specific amount of energy can be consumed.
  • first energy dissipation element For the realization of the fiber composite material formed first energy dissipation element different solutions come into question.
  • a fiber composite sandwich structure which is formed as a core material (support material) by a honeycomb structure.
  • honeycomb structure Such an ideally homogeneous honeycomb structure with constant Geometric cross section shows during the absorption of energy a uniform deformation of the material with low deformation force amplitudes at the same time high utilization and compression ratio.
  • other embodiments for the first energy dissipation element are also conceivable.
  • At least one first energy dissipation element is arranged on the end face of the parapet element, so that the deformation forces occurring during energy dissipation are introduced into the parapet element.
  • the first energy dissipation element should be adapted to the vehicle contour or the available space.
  • the first energy-absorbing element has a fiber composite sandwich construction with a honeycomb structure core.
  • the core of the first energy dissipation element from a fiber composite tube bundle, wherein the tube center axes of the tube bundle extend in the vehicle longitudinal direction.
  • the second structural elements have at least one second energy dissipation element likewise formed from fiber composite material, which may structurally be identical to the at least one first energy dissipation element.
  • the at least one second energy dissipation element should, however, be arranged on the surfaces of the A-pillars facing the front side of the vehicle head.
  • a special underbody structure formed of fiber composite material is provided, which is provided with the self-supporting structure of the rail vehicle head based first structural elements is connected such that the bottom of the vehicle head is formed.
  • the underbody structure has an upper surface element formed from fiber composite material and a lower surface element also formed therefrom, also made of fiber composite material, furthermore struts or tensioning elements formed from fiber composite material are provided, which firmly connect the upper and lower surface elements.
  • further structural elements with energy consumption that is, second structural elements
  • the second structural elements have at least one third energy dissipation element formed of fiber composite material, which is received in the underbody structure of the vehicle head and designed to respond when exceeding a critical impact force and at least part of the incident in the impact energy transmission and introduced into the third energy dissipation element To reduce impact energy by non-ductile destruction of at least part of the fiber structure of the third energy dissipation element.
  • the vehicle head has a central buffer coupling, which is articulated to the underbody structure of the vehicle head via a bearing block
  • the second structural elements further comprise at least one fourth energy dissipation element formed from fiber composite material, which in addition to the at least one third energy dissipation element in FIG the underbody structure is arranged in the impact direction behind the bearing block and is designed to respond when a critical impact force is exceeded and to reduce at least part of the impact energy generated in the impact energy transmission and introduced into the fourth energy dissipation element by non-ductile destruction of at least part of the fiber structure of the fourth energy dissipation element.
  • the third and fourth energy-absorbing elements can be identical or at least similar in structural and functional terms.
  • the third or fourth energy dissipation element comprises a guide tube formed from fiber composite material, ie, a cylindrical energy dissipation component, and a pressure tube designed as a piston, wherein the pressure tube cooperates with the guide tube such that when crossing a critical impact force introduced into the third or fourth energy absorption element causes the pressure tube and the guide tube to move toward one another while at the same time consuming at least part of the impact energy introduced into the third or fourth energy dissipation element.
  • the actual energy consumption is realized in that the guide tube has at least one energy dissipation region of fiber composite material which is at least partially non-ductile shredded and pulverized during the movement of the pressure tube designed as a piston relative to the guide tube.
  • the initiated impact energy is thus reduced by not plastically deforming the energy-dissipating region of the guide tube, as would be the case, for example, with metal-forming deformation tubes. but at least partially disassembled into parts.
  • the third or fourth energy dissipation element responds, the impact energy introduced into the energy dissipation element is utilized to shred and pulverize the energy dissipation region and thus at least partially degraded. Since the defibration and pulverization of a workpiece - compared to a conventional (metallic) plastic deformation - requires much more energy, the third or fourth energy dissipation element is particularly suitable for the reduction of high impact energies.
  • the term "defibering of the fiber-composite energy dissipation region" is intended to mean a failure of the fiber structure of the fiber composite material (intentionally induced) from which the energy dissipation region is formed. Defibration of the energy-dissipating area formed from fiber-composite material is in particular not comparable with the occurrence of only one (brittle) break in the energy-dissipating area. Rather, when fiberizing the fiber composite material of the energy dissipation area is broken down into as many small individual fragments (fragments), ideally for the exploitation of the total energy absorption capacity of the fiber composite material, the entire amount of the energy dissipation element forming fiber composite material is pulverized.
  • the pressure tube as a piston and at least the pressure tube facing region of the guide tube designed as a cylinder, wherein the pressure tube designed as a piston is connected to the guide tube such that when the response Energy Consumption element of the piston (pressure tube) runs into the cylinder (guide tube) and thereby non-ductile fiber-composite material formed energy dissipation area.
  • a region of the pressure tube facing the guide tube to be telescopically received by a region of the guide tube facing the pressure tube so that the end face of the region of the pressure tube facing the guide tube abuts a stop of the energy consumption region formed of fiber composite material.
  • the end face of the region of the pressure tube facing the guide tube should have a higher strength compared to the energy dissipation region formed from fiber composite material. In that case, it is ensured that the movement of the pressure tube occurring in response to the (third or fourth) energy dissipation element relative to the guide tube only results in destruction of the energy dissipation region, with the other components of the energy dissipation element not failing. In this way, a previously determinable event sequence when consuming energy can be realized.
  • the pressure tube is designed as a hollow body which is open on its end facing the guide tube. Accordingly, in the movement of the pressure tube relative to the guide tube resulting fractions of the fiber composite material formed energy consumption range at least partially absorbable in the interior of the hollow body.
  • This embodiment of the third and fourth energy dissipation element thus provides a completely encapsulated solution to the outside, wherein in particular ensures that when addressing the energy absorbing element no parts, such as fractions or fiber parts of the energy dissipation area, fly around, can intrude into the driver's compartment and possibly injure persons or damage other components of the vehicle head or even destroy.
  • energy consumption is realized with the preferred embodiment of the third or fourth energy dissipation element in that, when the energy dissipation element responds, the energy dissipation region formed from fiber composite material is at least partially non-ductile shredded after a predetermined event sequence.
  • the length of the energy dissipation region, which is non-ductile shredded in a movement of the pressure tube relative to the guide tube depends on the distance of the relative movement between the pressure tube and the guide tube.
  • an underride guard or track scraper formed from fiber composite material is also provided. It is conceivable here that this underrun protection is fastened to the underside of the underbody structure of the rail vehicle head and designed to reduce at least part of the impact energy generated during impact energy transmission when a critical impact force introduced into the underrun protection is exceeded by controlled deformation.
  • the underrun protection is connected via guide rails with the underside of the underbody structure such that the underrun protection is displaceable relative to the underbody structure in the vehicle longitudinal direction after exceeding a introduced in the underrun protection critical impact force, further provided at least one fiber composite material formed energy dissipation element is, which is arranged and designed so that upon displacement of the underrun protection relative to the underbody structure of the fiber composite material of the energy absorbing element is destroyed non-ductile with simultaneous degradation of at least a portion of the initiated in the impact force transmission in the underrun shock energy.
  • a windshield which is at least partially attached to the self-supporting structure of the vehicle head, said windshield preferably also having an energy dissipation function.
  • the windshield has an inner and an outer transparent (transparent) surface element, wherein these surface elements are arranged at a distance from each other and form a space between them.
  • This space can be filled with a connecting element between the outer and inner surface element, for example in the form of a transparent (transparent) energy absorption foam.
  • the connecting element in an edge region of the surface elements in the intermediate space. In this case, the edge area can be filled with less transparent energy absorption foam.
  • FIG. 1 The first embodiment of the vehicle head structure 100 is shown in a perspective view.
  • Fig. 2 shows the vehicle head structure 100 according to Fig. 1 in a side view.
  • Fig. 2 and an indicated exterior design 102 is in Fig. 3 shown.
  • the illustrated embodiment is a vehicle head structure 100 that is configured to be attached to the face of a rail vehicle (not explicitly shown).
  • the vehicle head structure 100 is constructed entirely from structural elements, which are described below with reference in particular to FIGS FIGS. 4 to 18 to be discribed. These structural elements, of which the vehicle head structure 100 is constructed, are made entirely of fiber composite material and can be implemented in differential, integral or mixed construction. Taking into account the strength and manufacturing advantages of fiber composite / fiber composite sandwich structures with the objective of lightweight construction a largely integral construction of the rail vehicle head is provided.
  • Fiber composites are composed of reinforcing fibers embedded in polymeric matrix systems. While the matrix holds the fibers in a predetermined position, transfers stresses between the fibers and protects the fibers from external influences, the reinforcing fibers gain the supporting mechanical properties. Glass, aramid and carbon fibers are particularly suitable as reinforcing fibers. Since aramid fibers have only a relatively low stiffness due to their extensibility, glass and carbon fibers are preferred for forming the respective energy dissipation elements of the vehicle head structure 100. However, aramid fibers are suitable, for example, for the formation of the deformation-resistant end wall 15, which serves to protect a vehicle driver's seat 101 accommodated in the self-supporting structure of the vehicle head against intrusions in the event of a crash.
  • a specific fiber architecture or a specific layer structure is preferably realized in order to obtain properties of the structural elements adapted to the expected load case.
  • a carbon-fiber-reinforced plastic as the material for the structural elements that make up the deformation-resistant, self-supporting structure of the vehicle head 100, since such a material has very high specific strengths.
  • the physical definition of the layer and sandwich structure including the Materix system and the manufacturing process not only the loads in the direction of impact force, which corresponds largely to the vehicle longitudinal direction taken, but also all operating in the event of a collision and spatially attacking further loads, i. Lateral forces and moments.
  • a vehicle head structure 100 which is designed according to the teachings of the invention, is characterized in that it is constructed entirely of structural elements formed of fiber composite material, wherein the structural elements constituting the vehicle head structure 100 on the one hand comprise structural elements without energy consumption (“first Structural elements ”) and on the other hand, structural elements with energy consumption (“second structural elements ").
  • the first structural elements are configured and directly connected to each other such that a substantially rigid, self-supporting head structure is formed for receiving a vehicle driver's seat 101.
  • the first structural elements which thus form the substantially deformation-resistant, self-supporting structure of the vehicle head structure 100, in particular two A-pillars 10, 10 ', each arranged laterally of the vehicle head structure 100, and one respectively the upper one Area of the two A-pillars 10, 10 'firmly connecting roof structure 11.
  • the first structural elements for example, according to Fig. 1 belong to the first structural elements further side struts 12, 12 ', which in each case with the lower region of the two A-pillars 10, 10' are firmly connected and for the transmission of impact forces in the car structure of the rail vehicle (not explicitly shown) are used.
  • Fig. 4 is a side view of an A-pillar 10, which is connected to a side strut 12 and a roof structure 11, wherein this combination of A-pillar 10, side strut 12 and roof structure 11 in the in Fig. 1 illustrated embodiment of the vehicle head structure is used.
  • Fig. 5 the side strut 12 is shown in a perspective view.
  • the vehicle head structure 100 further includes a parapet element 14 as well as the previously mentioned deformation-resistant end wall 15.
  • the parapet element 14, which is used in the in Fig. 1 illustrated embodiment of the vehicle head structure 100 is used in a separate representation in Fig. 7 shown.
  • Fig. 6 shows the roof structure 11, which in the embodiment according to Fig. 1 is used.
  • the vehicle head structure 100 also has second structural elements in addition to the first structural elements, ie structural elements with energy consumption.
  • These second structural elements include first energy dissipation elements 20, 20 'formed on the one hand from fiber composite material. It is provided that on the front side of the parapet element 14 at least a first energy absorbing element - in the illustration according to Fig. 1 and in particular according to Fig. 7 exactly two first energy dissipation elements 20, 20 '- are arranged.
  • first energy dissipation elements 20, 20 ' are formed from fiber composite / fiber composite sandwich material and designed to respond when a critical impact force is exceeded and at least part of the resulting in the impact energy transmission and in the first energy dissipation element 20, 20 'initiated impact energy by non-ductile destruction of at least part of the fiber structure of the first energy dissipation element 20, 20' degrade.
  • the second structural elements likewise include second energy dissipation elements 21, 21 ', which are formed from fiber composite / fiber composite sandwich material and are assigned to the two A pillars 10, 10' of the supporting structure of the vehicle head 100.
  • second energy dissipation elements 21, 21 ' are formed from fiber composite / fiber composite sandwich material and are assigned to the two A pillars 10, 10' of the supporting structure of the vehicle head 100.
  • each a second energy absorbing element 21, 21' are arranged.
  • the second energy dissipation elements 21, 21' formed from fiber composite / fiber composite sandwich material and designed to respond when exceeding a critical impact force and at least a portion of the resulting in the impact energy transmission and in the second energy dissipation element 21, 21 'initiated impact energy by non-ductile destruction of at least part of the fiber structure of the second energy dissipation element 21, 21' degrade.
  • the first and second energy dissipation elements 20, 20 'and 21, 21', respectively, are connected to the corresponding first structural elements, i. the parapet element 14 and the A-pillars 10, 10 ', preferably materially firmly connected, in particular glued.
  • the side struts 12, 12 'and the A-pillars 10, 10' consist of a hollow profile formed from fiber composite material, in which, in order to increase the rigidity of the side struts 12, 12 'or the A-pillars 10, 10 'is a support material, for example, filled in the form of a foam.
  • a support material for example, filled in the form of a foam.
  • the roof structure 11 in sandwich construction made of a fiber composite material.
  • the parapet element 14 serves primarily for the structural connection of the two A-pillars 10, 10 'so that this parapet element 14 connects the respectively lower region of the two A-pillars 10, 10' to one another.
  • the end wall 15 is connected to the sill member 14 such that an end surface of the vehicle head structure 100 is formed to protect the driver's seat 101 received in the self-supporting structure from intrusions in the event of a crash.
  • the underfloor structure 16 of fiber composite / fiber composite sandwich material is formed and connected to first structural elements of the vehicle head structure 100 such that the bottom of the driver's cab 101 and the bottom of the vehicle head structure 100 is formed.
  • the underbody structure 16 has a made of fiber composite / fiber composite sandwich material upper surface element 16a and a spaced therefrom, also formed from fiber composite lower surface element 16b, said surface elements 16a, 16b are spaced from each other. Further, struts 16c formed of fiber composite material are provided, which connect the upper and lower surface elements 16a, 16b firmly together.
  • a crash clutch with integrated energy dissipation elements which consists essentially of a fourth energy dissipation element 23, a bearing block 31 and a central buffer coupling 30.
  • the fourth energy dissipation element 23 is arranged in the underbody structure 16 in the impact direction behind the bearing block 31 and serves for the consumption of at least part of the irreversible impact energy introduced via the central buffer coupling 30 into the underbody structure 16.
  • the third energy dissipation element 22, 22 ' essentially consists of a guide tube 60 and a pressure tube 62.
  • the pressure tube 62 is designed as a piston and at least the pressure tube 62 facing region of the guide tube 60 as a cylinder.
  • the region of the pressure tube 62 designed as a piston facing the guide tube 60 is telescopically received by the region of the guide tube 60 formed as a cylinder.
  • the guide tube 60 is integrally formed from fiber composite material. Specifically, the guide tube 60 has an energy dissipation region 61 and a guide region adjacent to the energy dissipation region.
  • the guide tube 60 is designed as a formed of fiber composite tubular body having a paragraph inside, which forms the stop 63.
  • the pressure tube 62 formed as a piston is designed as a tubular body having an inner bevel 66 (see. Fig. 12 ).
  • guide tube 60 shown here by way of example and the pressure tube 62 each shown with a circular ring cross-section to perform with other cross-sectional geometries, for example, with oval, rectangular, square, triangular or pentagonal cross-sectional geometries.
  • the guide portion of the guide tube 60 is in the in 10 and FIG. 11 illustrated embodiment designed as a guide tube whose inner diameter is greater than the outer diameter of the pressure tube 62 designed as a piston. In this way, the region of the pressure tube 62 facing the guide tube 60 can be received telescopically by the guide tube 60.
  • the overall tubular guide tube 60 has within the energy dissipation region 61 an inner diameter which is smaller than the outer diameter of the pressure tube 62 (see also the illustration in FIG Fig. 12 ).
  • the edge 63 provided at the transition between the guide region and the energy-dissipating region 61 thus constitutes a stop against which the pressure tube 62 designed as a piston abuts.
  • the constructive design of this transition region as a trigger point for the pressure tube 62 significantly influences the initial peak force and the force-deformation behavior of the fiber composite energy dissipation element (pressure tube 62).
  • third energy dissipation element 22, 22 ' is designed so that in the energy dissipation element 22, 22', and in particular in the piston designed as a pressure tube 62 initiated impact forces in the guide tube 60 facing away from the end face of the pressure tube 62 are introduced.
  • a scuff protection 65 it is conceivable to attach to the end face of the pressure tube 62 facing away from the guide tube 60.
  • the impact force critical for the response of the third energy dissipation element 22, 22 ' is determined by the material properties and structural design, in particular in the transition region (trigger region, stop 63). Specifically, the impact force critical to the response of the third energy dissipation element 22, 22 'is determined by the material properties and structural design of the energy dissipation region 61.
  • the fiber composite material of the inner wall of the energy dissipation region 61 is non-ductile shredded by the pressure tube 62 moving relative to the guide tube 60 in the direction of the energy dissipation region 61.
  • the end face of the pressure tube 62 should have a higher strength compared to the energy dissipation region 61.
  • Fig. 12 can be removed, which is designed as a piston pressure tube 62 is formed as a at its the guide tube 60 facing end face open hollow body, said hollow body having an inner bevel 66.
  • the resulting during the movement of the pressure tube 62 relative to the guide tube 60 fractions of the energy dissipation region 61 formed of fiber composite material are thereby received in the interior of the hollow body.
  • This has the advantage that when fraying the energy dissipation region 61 no fractions of the fiber composite material can escape to the outside.
  • the fourth energy dissipation element 23 serves to absorb the impact forces introduced into the underbody structure 16 via the central buffer coupling 30 in the event of a crash.
  • the fourth energy dissipation element 23 is arranged in the impact direction behind the bearing block 31, via which the central buffer coupling 30 is pivotable in the horizontal and vertical directions.
  • the fourth energy dissipation element 23 has a guide tube 60, preferably formed of fiber composite material, a crash tube 61 and a pressure tube 62. Specifically, at the in Fig. 13 illustrated embodiment in which the central buffer coupling 30 facing region of the guide tube 60, the crash tube 61 and in the pressure tube 62 is telescopically received in the opposite region. Between the crash tube 61 and the pressure tube 62, a taper 64 is arranged, for example in the form of a conical ring. In the event of a crash, the connecting elements of the coupling 30 tear off the bearing block 31. The guided in the guide tube 60 coupling presses on a catch plate 32.
  • the catch plate 32 initiates the impact force in the pressure tube 62, which moves relative to the guide tube 60 in the direction of the crash tube 61.
  • the pressure tube 62 presses on the crash tube 61 via the taper 64.
  • the taper 64 and the pressure tube 62 on the crash tube 61 which fibrillates non-ductile and at least partially absorbs the impact energy resulting from the impact force transmission ,
  • the deformed or defibrated material of the crash tube 61 remains in the pressure tube 62.
  • the fourth energy dissipation element 23 are formed from a fiber composite material.
  • the taper 64 may be formed of a metal structure.
  • Fig. 15 an alternative embodiment to the fourth energy dissipation element 23 is shown.
  • the energy dissipation element 23 according to the FIGS. 13 and 14 is the in Fig. 14 illustrated embodiment of a support or pressure tube 62, a taper 64, a guide tube 60 and a crash tube 61, although this time the crash tube 61 is provided in the middle buffer coupling 30 facing region of the guide tube 60.
  • the clutch 30 breaks away from the bearing block 31 and presses on the catch plate 32, wherein the catch plate 32 initiates the impact force in the crash tube 61, so that the crash tube 61 is pressed into the taper 64.
  • the crash tube 61 Upon reaching the deformation force level, the crash tube 61 pushes through the taper 64 in the pressure tube 62, which may also be part of the guide tube 60 at the same time (see. Fig. 12 ). The energy consumption takes place again by the tapering of the crash tube 60. The deformed or defibrated material of the crash tube 60 remains in the pressure tube 62.
  • Fig. 16 is shown in a perspective view formed from fiber composite / fiber composite sandwich material underrun protection 24, which at the bottom of the underbody structure 16 of the in Fig. 1 shown vehicle head structure 100 is fixed and designed, when introduced into the underride guard 24 initiated To reduce critical impact force by controlled deformation at least part of the impact energy generated in the impact force transmission.
  • each of the underride guard 24 is connected to the underbody structure 16 via a rail system 17.
  • the underrun protection 24 made of fiber composite material or fiber composite sandwich materials and has a plurality of energy dissipation elements 25, 25 ', 26, 26' (two in the front and two in the rear area).
  • the energy dissipation elements 25, 25 'with different deformation force levels first absorb collision energy in the front region, then the underrun protection 24 is pushed within the rails 17 onto the second energy dissipation elements 26, 26'.
  • FIG. 19 Parts of another embodiment of the vehicle head structure 100 are shown in a perspective view.
  • the characteristic of this embodiment can be seen in particular in the A-pillars 10, wherein in Fig. 19 for clarity, only one of the two A-pillars is shown.
  • the A-pillars 10 at the in Fig. 19 illustrated embodiment have an overall curved structure, so that the introduced into the A-pillars 10 forces can be transmitted directly into the base frame 16 without additional side strut.
  • This special variant allows a strong reversible compression of the A-pillars 10 in the event of a crash.

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen Fahrzeugkopf mit einem Rahmen zur Befestigung an der Stirnseite eines Schienenfahrzeuges, wobei der Rahmen vollständig aus Strukturelementen aufgebaut ist, die aus Faserverbundwerkstoff gebildet sind.
  • Aus der Druckschrift GB 2 411 630 A ist ein Rahmen für eine Fahrzeugkabine eines Schienenfahrzeuges bekannt, wobei der Rahmen aus Rahmenelementen aufgebaut ist, welche die Front-, Boden- und Dachteile sowie die seitlichen Teile der Fahrzeugkabine definieren. Der aus diesem Stand der Technik bekannte Rahmen weist eine Vielzahl von nachgiebigen Regionen auf, die auf die Rahmenelemente verteilt sind. Im Crashfall, d.h. bei einer Kollision eines mit dem aus diesem Stand der Technik bekannten Fahrzeugkopf aufgerüsteten Schienenfahrzeuges mit einem anderen Schienenfahrzeug oder anderem Hindernis als Kollisionsgegner, geben die nachgiebigen Regionen nach, so dass sich der Rahmen an die Konturen des Kollisionsgegners anpassen kann, wodurch die aufgrund der Kollision in den Rahmen eingeleitete Stoßenergie zumindest teilweise abgebaut wird.
  • Andererseits ist aus der Druckschrift EP 0 533 582 A1 ein Kabine für ein Schienenfahrzeug bekannt, wobei diese Kabine nicht an der Stirnseite des Schienenfahrzeuges befestigt, sondern auf einer horizontalen Plattform montiert wird. Da die aus diesem Stand der Technik bekannte Kabine aus Gewichtsgründen vollständig aus Faserverbundwerkstoff gebildet ist, wurde davon abgesehen, die Kabine selber mit einer Stoßsicherung zur Absorption der in einem Crashfall auftretenden Stoßenergie auszurüsten. Vielmehr ist eine derartige Stoßsicherung in dem Untergestellt bzw. in der Plattform integriert, auf welcher die Kabine montiert ist.
  • Die Druckschrift DE 196 49 526 A1 beschreibt einen Fahrzeugkopf, welcher zur Befestigung an der Stirnseite eines Schienenfahrzeuges ausgelegt ist, wobei die Wände und das Dach des Fahrzeugkopfes aufgrund von Gewichtsgründen ,aus einem Verbundmaterial bestehen und lösbar mit dem Untergestellt und dem Wagenkasten des Schienenfahrzeuges verbunden sind. Der aus diesem Stand der Technik bekannte Fahrzeugkopf ist - wie auch die aus der EP 0 533 582 B2 bekannte Kabine - ohne Stoßsicherung ausgeführt.
  • Die Druckschrift FR 2 715 904 A1 betrifft den vorderen Endbereich eines Schienenfahrzeuges, wobei eine besondere Struktur zum Einsatz kommt, die den Fahrzeugführerstand bei einem Aufprall auf ein Hindernis nicht zerstören soll. Der vordere Endbereich des aus diesem Stand der Technik bekannten Fahrzeuges besteht aus einer Kabine, in welcher der Fahrzeugführerstand aufgenommen ist. Diese Kabine ist mit einem Fahrzeugrahmen derart verbunden, dass die Kabine bei einem Aufprall auf ein Hindernis in vertikaler Richtung nach oben aus dem Kollisionsbereich herausgeschoben wird. Im Einzelnen kommen hierzu abgeschrägte Flächen zum Einsatz, welche eine Aufnahme für die Kabine bilden. Im Falle einer Kollision wird der Rahmen gestaucht, infolgedessen sich die schrägen Flächen aufeinander zu bewegen und die Kabine in vertikaler Richtung nach oben verschoben wird.
  • Die Druckschrift EP 0 802 100 A1 betrifft den Fahrerstand eines Schienenfahrzeuges, der eine Energie aufnehmende Struktur mit progressiver Verformung aufweist. Im Einzelnen ist dabei vorgesehen, dass an dem aus Stahl gefertigten Rahmen einer Fahrerkabine energieabsorbierende Elemente befestigt (angeschraubt) sind.
  • Stoßsicherungen sind sogenannte Crashstrukturen, d.h. Bauteile, welche sich bei einem Aufprall des Fahrzeuges auf ein Hindernis zumindest teilweise in vorbestimmter Weise verformen. Dabei soll die Aufprallenergie gezielt in Verformungsenergie umgewandelt werden, um auf Fahrzeuginsassen wirkende Kräfte zu reduzieren.
  • Aus der Kraftfahrzeugtechnik ist es bekannt, insbesondere im Stirnbereich eines Personenkraftwagens eine Stoßsicherung in Gestalt einer Knautschzone vorzusehen. Während die Kraftfahrzeugindustrie bereits seit Jahrzehnten bemüht ist, derartige Crashstrukturen zu optimieren, sind in der Maschinenfahrzeugtechnik bisher die Wagenkästen (Lokomotiven und Wagons) in der Regel ohne besondere Rücksicht auf ihr Verformungsverhalten bei Kollision konstruiert.
  • Zwar ist es bereits üblich, an der Stirnseite eines Schienenfahrzeuges als Stoßsicherung seitliche Pufferelemente oder Crashboxen anzuordnen, welche in einem Crashfall zumindest einen Teil der Aufprallenergie absorbieren bzw. verzehren. Bei höheren Aufprallgeschwindigkeiten allerdings reicht die mit einer derartigen Stoßsicherung erzielbare Energieabsorption oftmals nicht aus, um den Wagenkasten wirksam vor Beschädigungen zu schützen. Insbesondere besteht die Gefahr, dass nach dem Ausschöpfen des Energieverzehrvermögens der seitlich angeordneten Pufferelemente oder Crashboxen eine extreme Verformung des Fahrzeugführerstandes auftritt, wobei unter Umständen nicht mehr sichergestellt werden kann, dass für den Triebfahrzeugführer ein hinreichender Überlebensraum gegeben ist.
  • Demnach liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen zur Befestigung an der Stirnseite eines Schienenfahrzeuges ausgelegten Fahrzeugkopf dahingehend zu optimieren, dass die in einem Crashfall auf den Fahrzeugkopf einwirkende Aufprallenergie soweit wie möglich von der Struktur des Fahrzeugkopfes abgebaut werden kann, um die maximalen Beschleunigungen und Kräfte auf die Fahrzeugstruktur zu begrenzen, wobei ein unkontrolliertes Verformen der Konstruktion wirkungsvoll verhindert werden soll, mit dem Ziel, in einem Crashfall einen Überlebensraum für den Fahrzeugführer sicherzustellen.
  • Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Fahrzeugkopfes sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Demnach wird zur Verbesserung des Crashverhaltens von Schienenfahrzeugen gemäß der Erfindung ein Fahrzeugkopf vorgeschlagen, der eine Fahrzeugkopfstruktur aufweist, welche vollständig aus Strukturelementen aufgebaut ist, wobei diese Strukturelemente vorrangig aus Faserverbundwerkstoff gebildet sind. Im Einzelnen gehören zu diesen die Fahrzeugkopfstruktur aufbauenden Strukturelementen sowohl Strukturelemente ohne Energieverzehr, welche nachfolgend als "erste Strukturelemente" bezeichnet werden, als auch Strukturelemente mit Energieverzehr, welche nachfolgend als "zweite Strukturelemente" bezeichnet werden. Zu den Strukturelementen ohne Energieverzehr, d.h. den ersten Strukturelementen, gehören alle Strukturelemente, die zur Ausbildung einer im Wesentlichen verformungssteifen, selbsttragenden Fahrzeugkopfstruktur dienen. Diese im Wesentlichen starre selbsttragende Struktur nimmt den Führerstand des Schienenfahrzeuges auf. Da somit der Führerstand von einer verformungssteifen Kopfstruktur umgeben ist, welche auch im Crashfall nicht signifikant verformt wird, bleibt innerhalb des Schienenfahrzeugkopfs der Überlebensraum für den Zugführer erhalten.
  • Hingegen dienen in funktioneller Hinsicht die Strukturelemente mit Energieverzehr, d.h. die zweiten Strukturelemente, dazu, die in einem Crashfall aufgrund einer Stoßkraftübertragung anfallende und in den Fahrzeugkopf eingeleitete Stoßenergie zumindest teilweise zu absorbieren bzw. abzubauen, damit die aus den ersten Strukturelementen aufgebaute selbsttragende Struktur des Fahrzeugkopfs nicht in Mitleidenschaft gezogen wird. Die zweiten Strukturelemente sind vorzugsweise an der von den ersten Strukturelementen aufgebauten selbstragenden Struktur des Fahrzeugkopfs befestigt. Insbesondere sind die zweiten Strukturelemente derart in der selbsttragenden Struktur aufgenommen, dass diese zusammen mit der selbsttragenden Struktur eine Einheit bilden.
  • Da bei der erfindungsgemäßen Lösung die Strukturelemente (erste und zweite Strukturelemente) vollständig aus Faserverbundwerkstoff gebildet sind, ist es insbesondere denkbar, die zweiten Strukturelemente stoffschlüssig mit den ersten Strukturelementen zu verbinden, beispielsweise zu verkleben. Demnach können die zweiten Strukturelemente in der aus den ersten Strukturelementen aufgebauten selbsttragenden Fahrzeugkopfstruktur integriert werden, wobei die zweiten Strukturelemente derart lösbar oder unlösbar in den ersten Strukturelementen aufgenommen sind, dass eine Einheit gebildet wird, welche eine Doppelfunktion aufweist, nämlich einerseits eine Tragfunktion, die durch die ersten Strukturelemente bereitgestellt wird, und andererseits eine Energieverzehrfunktion, die durch die zweiten Strukturelemente bereitgestellt wird.
  • Wie bereits angedeutet, sind die Strukturelemente, welche die Fahrzeugkopfstruktur aufbauen, vollständig aus Faserverbundwerkstoff gebildet. Hierbei ist es denkbar, durch Verwendung unterschiedlicher Faserverbund-/Faserverbund-Sandwich-Strukturen für die einzelnen Bereiche der Fahrzeugkopfstruktur die in einem Crashfall anfallende und in die Fahrzeugkopfstruktur eingeleitete Stoßenergie gezielt abzubauen, d.h. zu verzehren.
  • Dadurch, dass die die Fahrzeugkopfstruktur aufbauenden Strukturelemente nahezu vollständig aus Faserverbundwerkstoff gebildet sind, kann - im Vergleich zu einer in Metallbauweise ausgeführten Fahrzeugkopfstruktur - nicht nur das Gewicht der Fahrzeugkopfstruktur erheblich reduziert werden. Darüber hinaus zeichnen sich die aus Faserverbundwerkstoff ausgebildeten Strukturelemente durch ihre spezifische Festigkeit aus, so dass die aus den ersten Strukturelementen aufgebaute im Wesentlichen verformungssteife selbsttragende Fahrzeugkopfstruktur selbst im Kollisionsfall nicht versagt, d.h. sich unkontrolliert verformt, wodurch der Überlebensraum des Fahrzeugführers im Führerstand gewährleistet bleibt.
  • Da die zweiten Strukturelemente, welche zumindest teilweise die in einem Crashfall anfallende und in die Fahrzeugkopfstruktur eingeleitete Stoßenergie verzehren, ebenfalls aus Faserverbundwerkstoff bestehen, kann - im Vergleich zu herkömmlichen aus Metall gefertigten Verformungsrohren - eine wesentlich höhere gewichtsspezifische Energieabsorption erzielt werden. Hierzu ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die zweiten Strukturelemente ausgelegt sind, nach deren Ansprechen die in die zweiten Strukturelemente eingeleitete Stoßenergie zumindest teilweise durch nicht-duktile Zerstörung des Faserverbundwerkstoffes der zweiten Strukturelemente abzubauen.
  • Da die mit den ersten Strukturelementen aufgebaute selbsttragende Struktur des Fahrzeugkopfes im Wesentlichen verformungssteif ausgebildet ist, wird auch bei einer Kollision des Schienenfahrzeuges (Crashfall) ein Überlebensraum in dem von der selbsttragenden Kopfstruktur aufgenommenen Führerstand beibehalten. In diesem Zusammenhang ist es bevorzugt, dass die ersten Strukturelemente derart ausgebildet und miteinander verbunden sind, dass der in einem Crashfall nicht bereits durch die zweiten Strukturelemente abgebaute Anteil der in den Fahrzeugkopf eingeleiteten Stoßenergie in eine mit dem Fahrzeugkopf verbundene Wagenstruktur des Schienenfahrzeuges übertragen wird. Dort kann die Stoßenergie durch die Stoßsicherungselemente der Wagenstruktur des Schienenfahrzeuges schließlich verzehrt werden.
  • Für den Fall des Überschreitens der konstruktiv ausgelegten maximalen Energieaufnahmemenge der zweiten Strukturelemente bei höheren Kollisionsgeschwindigkeiten (bzw. Kollisionsenergien) sind die ersten Strukturelemente konstruktiv so gestaltet, dass diese kontrolliert verformen und somit eine weitere Energieaufnahme ohne (unkontrolliertes) Kollabieren der Fahrzeugkopfstruktur erfolgen kann.
  • In einer bevorzugten Realisierung der erfindungsgemäßen Lösung weisen zur Ausbildung der im Wesentlichen verformungssteifen selbsttragenden Kopfstruktur die ersten Strukturelemente zwei jeweils an den Seiten der Fahrzeugkopfstruktur angeordnete A-Säulen sowie eine jeweils den oberen Bereich der beiden A-Säulen fest verbindende Dachstruktur auf, wobei die A-Säulen und die damit fest verbundene Dachstruktur ausgebildet sind, den in einem Crashfall nicht bereits von den zweiten Strukturelementen abgebauten Anteil der in den Fahrzeugkopf eingeleiteten Stoßenergie in die mit dem Fahrzeugkopf verbundene Wagenstruktur des Schienenfahrzeuges zu übertragen. Hierbei ist es ferner denkbar, dass die ersten Strukturelemente auch Seitenstreben aufweisen, welche jeweils mit dem unteren Bereich der beiden A-Säulen fest verbunden sind und zur Übertragung von Stoßkräften in die Wagenstruktur des Schienenfahrzeuges dienen.
  • Alternativ oder zusätzlich zu der zuvor genannten Ausführungsform, bei welcher Seitenstreben vorgesehen sind, welche zur Stoßkraftübertragung von den beiden A-Säulen in die Wagenstruktur des Schienenfahrzeuges dienen, ist es denkbar, die A-Säulen beispielsweise jeweils bogenförmig auszubilden, wobei ferner ein unteres Strukturelement vorgesehen ist, welches mit den oberen Endbereichen der A-Säulen fest verbunden und ausgelegt ist, dem im Crashfall nicht bereits durch die zweiten Energieverzehrelemente abgebauten Teil der in die A-Säulen eingeleiteten Stoßkraft in die mit dem Fahrzeugkopf verbundene Wagenstruktur des Schienenfahrzeuges zu übertragen. Durch die bogenförmige Ausgestaltung der A-Säulen kann dabei auf Seitenstreben verzichtet werden.
  • Da die Seitenstreben bzw. die A-Säulen im Crashfall extremen Belastungen ausgesetzt sind und insbesondere ein unkontrolliertes Verformen, d.h. Versagen dieser Strukturelemente verhindert werden muss, ist es bevorzugt, wenn diese Strukturelemente aus einem aus Faserverbundwerkstoff gebildeten Hohlprofil bestehen, in welchem optional zur weiteren Erhöhung der Steifigkeit vorzugsweise ein Stützstoff, insbesondere ein Stützschaum aufgenommen ist.
  • Andererseits ist es im Hinblick auf die Dachstruktur bevorzugt, diese in Sandwich-Bauweise aus einem Faserverbundwerkstoff herzustellen. Selbstverständlich kommen hier aber auch andere Lösungen in Frage.
  • Um die beiden A-Säulen miteinander strukturell zu verbinden und somit die Steifigkeit der mit den ersten Strukturelementen ausgebildeten selbsttragenden Rahmenstruktur zu erhöhen, ist es bevorzugt, wenn die ersten Strukturelemente mindestens ein Brüstungselement aufweisen, welches zur strukturellen Verbindung der beiden A-Säulen den jeweils unteren Bereich der A-Säulen miteinander verbindet. Ferner ist es bevorzugt, wenn die ersten Strukturelemente eine verformungssteife Stirnwand aufweisen, welche ebenfalls aus Faserverbundwerkstoff gebildet und derart mit dem Brüstungselement verbunden ist, dass die verformungssteife Stirnwand zusammen mit dem Brüstungselement eine Stirnfläche der Fahrzeugkopfstruktur ausbilden, und somit den in der selbsttragenden Rahmenstruktur aufgenommenen Fahrzeugführerstand im Crashfall vor Intrusionen schützen. Daher wird eine Kollisions-Frontwand bereitgestellt, welche zumindest einen Bereich der kupplungsseitigen Stirnfläche der Fahrzeugkopfstruktur bildet, wobei das Brüstungselement und/oder die Stirnwand ein wichtiges Bauteil zur Penetrationsvermeidung darstellen/darstellt. Somit kann wirksam verhindert werden, dass in einem Crashfall Bauteile in den mit der selbsttragenden Rahmenstruktur ausgebildeten Raum, in welchem der Fahrzeugführerstand aufgenommen ist, eindringen können. Selbstverständlich sind aber auch andere Biegequerträgerstrukturen geeignet, um eine derartige Kollisions-Frontwand auszubilden. Vorzugsweise kann die die Kollisions-Frontwand ausbildende Stirnwand aus verschiedenen Faserverbund-/Faserverbund-Sandwich-Komponenten, insbesondere mit den Verstärkungsmaterialien Glas, Aramid, Dyneema und/oder Kohlefaser gefertigt werden. Insbesondere kommt hier eine Sandwich-Bauweise unter Verwendung von Faserverstärkungen in Frage. Aufgrund der konstruktiven Anordnung und Gestaltung der Strukturkomponente "Stirnwand" stellt die Stirnwand zusammen mit dem Brüstungselement ein entscheidendes strukturelles Verbindungselement zur Stabilisierung der gesamten selbsttragenden Struktur des Fahrzeugkopfes dar.
  • Wie bereits angedeutet, zeichnet sich die erfindungsgemäße Lösung unter anderem dadurch aus, dass in der mit den ersten Strukturelementen ausgebildeten selbsttragenden (starren) Rahmenstruktur des Schienenfahrzeugkopfes zweite Strukturelemente, d.h. Strukturelemente mit Energieverzehr, integriert sind. In einer bevorzugten Realisierung des erfindungsgemäßen Fahrzeugkopfes ist dabei vorgesehen, dass diese zweiten Strukturelemente mindestens ein aus Faserverbundwerkstoff gebildetes erstes Energieverzehrelement aufweisen, wobei dieses erste Energieverzehrelement ausgelegt ist, bei Überschreiten einer kritischen Stoßkraft anzusprechen und zumindest einen Teil der bei der Stoßkraftübertragung anfallenden und in das erste Energieverzehrelement eingeleiteten Stoßenergie durch nicht-duktile Zerstörung von zumindest einem Teil der Faserstruktur des ersten Energieverzehrelementes abzubauen. Dadurch, dass beim Energieverzehr der Faserverbundwerkstoff des Energieverzehrelementes nicht-duktil zerstört wird, erfolgt ein Energieverzehr durch Umwandlung der eingeleiteten Stoßenergie in Sprödbruchenergie, wobei zumindest ein Teil des Faserverbundwerkstoffes des Energieverzehrelementes zerfasert bzw. pulverisiert und somit das Energieverzehrelement zerstört wird.
  • Dieser Mechanismus des Zerfaserns und Pulverisierens zeichnet sich durch seinen hohen Ausnutzungsgrad beim Energieverzehr aus, wobei - im Vergleich zu beispielsweise einem in Metallbauweise ausgeführten Stauch- oder Verformungsrohr (Aufweitungs- oder Verengungsrohr) ein deutlich höherer gewichts- und bauraumspezifischer Energiebetrag verzehrt werden kann.
  • Für die Realisierung des aus Faserverbundwerkstoff gebildeten ersten Energieverzehrelementes kommen unterschiedliche Lösungen in Frage. Insbesondere ist es beispielsweise denkbar, als Energieverzehrelement eine Faserverbund-Sandwich-Struktur zu verwenden, die als Kernmaterial (Stützstoff) durch eine Wabenstruktur gebildet wird. Eine derartige idealerweise homogene Wabenstruktur mit konstantem Geometriequerschnitt zeigt während der Energieabsorption eine gleichmäßige Verformung des Werkstoffs mit geringen Verformungskraftamplituden bei gleichzeitig hohem Ausnutzungs- und Stauchungsgrad. Insbesondere kann mit einem derartigen Energieverzehrelement sichergestellt werden, dass beim Ansprechen dieses die zu verzehrende Energie nach einem vorab festlegbaren Ereignisablauf abgebaut wird. Selbstverständlich sind aber auch andere Ausführungsformen für das erste Energieverzehrelement denkbar.
  • Vorzugsweise ist an der Stirnseite des Brüstungselementes mindestens ein erstes Energieverzehrelement angeordnet, so dass die beim Energieverzehr auftretenden Verformungskräfte in das Brüstungselement eingeleitet werden. Dabei sollte das erste Energieverzehrelement an der Fahrzeugkontur bzw. den zur Verfügung stehenden Bauraum angepasst sein.
  • Wie bereits dargelegt, ist es denkbar, dass das erste Energieverzehrelement einen Faserverbund-Sandwichaufbau mit einem Wabenstrukurkern aufweist. Alternativ hierzu ist es selbstverständlich auch möglich, den Kern des ersten Energieverzehrelements aus einem Faserverbund-Rohrbündel auszubilden, wobei die Rohrmittelachsen des Rohrbündels in Fahrzeuglängsrichtung verlaufen.
  • Zusätzlich zu dem mindestens einen ersten Energieverzehrelement ist es bevorzugt, wenn die zweiten Strukturelemente mindestens ein ebenfalls aus Faserverbundwerkstoff gebildetes zweites Energieverzehrelement aufweisen, welches in struktureller Hinsicht identisch zu dem mindestens einen ersten Energieverzehrelement aufgebaut sein kann. Das mindestens eine zweite Energieverzehrelement sollte allerdings an den der Stirnseite des Fahrzeugkopfes zugewandten Flächen der A-Säulen angeordnet sein.
  • Durch diese spezielle Anordnung des ersten und zweiten Energieverzehrelementes werden unterschiedliche Kollisionsszenarios berücksichtigt, wobei insbesondere mit dem mindestens einen zweiten Energieverzehrelement, welches einer A-Säule zugeordnet ist, die bei einer Kollision mit einem relativ hohen Kollisionsgegner auftretenden und in den Schienenfahrzeugkopf eingeleiteten Stoßkräfte berücksichtigt werden.
  • Um andererseits den unteren Bereich des Schienenfahrzeugkopfes zu schützen, ist bei einer bevorzugten Realisierung der erfindungsgemäßen Lösung eine spezielle aus Faserverbundwerkstoff gebildete Unterbodenstruktur vorgesehen, welche mit den die selbsttragende Struktur des Schienenfahrzeugkopfes aufbauenden ersten Strukturelementen derart verbunden ist, dass der Boden des Fahrzeugkopfes gebildet wird.
  • Denkbar hierbei ist es, dass die Unterbodenstruktur ein aus Faserverbundwerkstoff gebildetes oberes Flächenelement und ein hiervon beabstandetes ebenfalls aus Faserverbundwerkstoff gebildetes unteres Flächenelement aufweist, wobei ferner aus Faserverbundwerkstoff gebildete Streben bzw. Spannten vorgesehen sind, welche das obere und untere Flächenelement fest miteinander verbinden. Hierbei ist es bevorzugt, dass in dieser Unterbodenstruktur weitere Strukturelemente mit Energieverzehr (d.h. zweite Strukturelemente) integriert sind. Denkbar dabei ist es, dass die zweiten Strukturelemente mindestens ein aus Faserverbundwerkstoff gebildetes drittes Energieverzehrelement aufweisen, welches in der Unterbodenstruktur des Fahrzeugkopfes aufgenommen und ausgelegt ist, bei Überschreiten einer kritischen Stoßkraft anzusprechen und zumindest einen Teil der bei der Stoßkraftübertragung anfallenden und in das dritte Energieverzehrelement eingeleiteten Stoßenergie durch nicht-duktile Zerstörung von zumindest einem Teil der Faserstruktur des dritten Energieverzehrelementes abzubauen.
  • Wenn vorgesehen ist, dass der Fahrzeugkopf eine Mittelpufferkupplung aufweist, die über einen Lagerbock an der Unterbodenstruktur des Fahrzeugkopfes angelenkt ist, ist es bevorzugt, dass die zweiten Strukturelemente ferner mindestens ein aus Faserverbundwerkstoff gebildetes viertes Energieverzehrelement aufweisen, welches zusätzlich zu dem mindestens einen dritten Energieverzehrelement in der Unterbodenstruktur in Stoßrichtung hinter dem Lagerbock angeordnet und ausgelegt ist, bei Überschreiten einer kritischen Stoßkraft anzusprechen und zumindest einen Teil der bei der Stoßkraftübertragung anfallenden und in das vierte Energieverzehrelement eingeleiteten Stoßenergie durch nicht-duktile Zerstörung von zumindest einem Teil der Faserstruktur des vierten Energieverzehrelementes abzubauen.
  • Das dritte und vierte Energieverzehrelement können in struktureller und funktioneller Hinsicht identisch oder zumindest ähnlich aufgebaut sein.
  • In einer bevorzugten Realisierung des dritten bzw. vierten Energieverzehrelementes ist vorgesehen, dass das dritte bzw. vierte Energieverzehrelement ein aus Faserverbundwerkstoff gebildetes Führungsrohr, d.h. beispielsweise ein zylinderförmiges Energieverzehrbauteil, sowie ein als Kolben ausgebildetes Druckrohr aufweist, wobei das Druckrohr mit dem Führungsrohr derart zusammenwirkt, dass sich bei Überschreiten einer kritischen in das dritte bzw. vierte Energieverzehrelement eingeleiteten Stoßkraft das Druckrohr und das Führungsrohr unter gleichzeitigem Verzehr von zumindest einem Teil der in das dritte bzw. vierte Energieverzehrelement eingeleiteten Stoßenergie relativ zueinander aufeinander zu bewegen. Der eigentliche Energieverzehr wird dadurch realisiert, dass das Führungsrohr mindestens einen Energieverzehrbereich aus Faserverbundwerkstoff aufweist, welcher bei der Bewegung des als Kolben ausgebildeten Druckrohres relativ zu dem Führungsrohr zumindest teilweise nicht-duktil zerfasert und pulverisiert wird.
  • Wie auch bei den anderen zu den zweiten Strukturelementen gehörenden Energieverzehrelementen (erstes und zweites Energieverzehrelement) wird somit zumindest ein Teil der eingeleiteten Stoßenergie dadurch abgebaut, dass der Energieverzehrbereich des Führungsrohres nicht plastisch derart verformt wird, wie es beispielsweise bei Verformungsrohren in Metallbauweise der Fall wäre, sondern zumindest teilweise in Einzelteile zerlegt wird. Mit anderen Worten, bei Ansprechen des dritten bzw. vierten Energieverzehrelementes wird die in das Energieverzehrelement eingeleitete Stoßenergie zum Zerfasern und Pulverisieren des Energieverzehrbereiches genutzt und somit zumindest teilweise abgebaut. Da das Zerfasern und Pulverisieren eines Werkstückes - im Vergleich zu einem üblichen (metallischen) plastischen Verformen - wesentlich mehr Energie erfordert, eignet sich das dritte bzw. vierte Energieverzehrelement insbesondere auch zum Abbau von hohen Stoßenergien.
  • Andererseits zeichnet sich ein aus Faserverbundwerkstoff ausgebildetes Energieverzehrelement mit seinem hohen gewichtsspezifischen Energieabsorptionsvermögen - im Vergleich zu herkömmlichen aus Metall ausgebildeten Energieverzehrelementen (beispielsweise Verformungsrohren) - durch seine Leichtbauweise aus, so dass das Gesamtgewicht des Fahrzeugkopfes erheblich reduziert werden kann.
  • Unter dem hierin verwendeten Ausdruck "Zerfasern des aus Faserverbundwerkstoff gebildeten Energieverzehrbereiches" ist ein (gewollt herbeigeführtes) Versagen der Faserstruktur des Faserverbundwerkstoffes zu verstehen, aus welchem der Energieverzehrbereich gebildet ist. Ein Zerfasern des aus Faserverbundwerkstoff gebildeten Energieverzehrbereiches ist insbesondere nicht mit dem Auftreten lediglich eines (Spröd-)Bruches im Energieverzehrbereich zu vergleichen. Vielmehr wird beim Zerfasern der Faserverbundwerkstoff des Energieverzehrbereiches in möglichst viele kleine Einzelbruchteile (Fragmente) zerlegt, wobei idealerweise für das Ausschöpfen des gesamten Energieabsorptionsvermögens des Faserverbundmaterials die gesamte Menge des das Energieverzehrelement ausbildenden Faserverbundwerkstoffes pulverisiert wird.
  • Bei der bevorzugten Ausführungsform des dritten bzw. vierten Energieverzehrelementes ist - wie bereits angedeutet - das Druckrohr als Kolben und zumindest der dem Druckrohr zugewandte Bereich des Führungsrohres als Zylinder ausgebildet, wobei das als Kolben ausgeführte Druckrohr mit dem Führungsrohr derart verbunden ist, dass bei Ansprechen des Energieverzehrelementes der Kolben (Druckrohr) in den Zylinder (Führungsrohr) hineinläuft und dabei den aus Faserverbundwerkstoff ausgebildeten Energieverzehrbereich nicht-duktil zerfasert.
  • Im Einzelnen ist es denkbar, dass ein dem Führungsrohr zugewandter Bereich des Druckrohres von einem dem Druckrohr zugewandten Bereich des Führungsrohres derart teleskopartig aufgenommen ist, dass die Stirnseite des dem Führungsrohr zugewandten Bereiches des Druckrohres an einen Anschlag des aus Faserverbundwerkstoff gebildeten Energieverzehrbereiches anstößt. Durch diesen teleskopartigen Aufbau ist sichergestellt, dass die bei Ansprechen des Energieverzehrelementes auftretende Relativbewegung zwischen dem Druckrohr und dem Führungsrohr geführt ist und die Funktionalität und das Verformungsverhalten auch unter Querkräften sichergestellt wird.
  • Um zu erreichen, dass beim Ansprechen des dritten bzw. vierten Energieverzehrelementes die Stoßenergie nur durch den aus Faserverbundwerkstoff ausgebildeten Energieverzehrbereich abgebaut wird, sollte die Stirnseite des dem Führungsrohr zugewandten Bereiches des Druckrohres eine im Vergleich zu dem aus Faserverbundwerkstoff gebildeten Energieverzehrbereich höhere Festigkeit aufweisen. Dann nämlich ist sichergestellt, dass die beim Ansprechen des (dritten bzw. vierten) Energieverzehrelementes auftretende Bewegung des Druckrohres relativ zu dem Führungsrohr nur eine Zerstörung des Energieverzehrbereiches zur Folge hat, wobei die anderen Komponenten des Energieverzehrelementes nicht versagen. Auf diese Weise lässt sich ein vorab festlegbarer Ereignisablauf beim Energieverzehr realisieren.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform des dritten bzw. vierten Energieverzehrelementes ist das Druckrohr als Hohlkörper ausgebildet, welcher an seiner dem Führungsrohr zugewandten Stirnseite offen ist. Demnach sind die bei der Bewegung des Druckrohres relativ zu dem Führungsrohr entstehenden Bruchteile des aus Faserverbundwerkstoff gebildeten Energieverzehrbereiches zumindest teilweise im Inneren des Hohlkörpers aufnehmbar.
  • Diese Ausführungsform des dritten bzw. vierten Energieverzehrelementes liefert somit eine nach außen hin vollständig gekapselte Lösung, wobei insbesondere sichergestellt ist, dass beim Ansprechen des Energieverzehrelementes keine Teile, wie etwa Bruchteile oder Faserteile des Energieverzehrbereiches, umherfliegen, in den Fahrzeugführerraum intrudieren können und möglicherweise Personen verletzen oder andere Bauteile des Fahrzeugkopfes beschädigen oder gar zerstören.
  • Wie bereits angedeutet, wird mit der bevorzugten Ausführungsform des dritten bzw. vierten Energieverzehrelementes ein Energieverzehr dadurch realisiert, dass beim Ansprechen des Energieverzehrelementes der aus Faserverbundwerkstoff gebildete Energieverzehrbereich nach einem vorab festgelegten Ereignisablauf zumindest teilweise nicht-duktil zerfasert wird. Dabei hängt vorzugsweise die Länge des Energieverzehrbereiches, welche bei einer Bewegung des Druckrohres relativ zu dem Führungsrohr nicht-duktil zerfasert wird, von der Wegstrecke der Relativbewegung zwischen dem Druckrohr und dem Führungsrohr ab.
  • In einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Schienenfahrzeugkopfes ist ferner ein aus Faserverbundwerkstoff gebildeter Unterfahrschutz bzw. Bahnräumer vorgesehen. Denkbar hierbei ist es, dass dieser Unterfahrschutz an der Unterseite der Unterbodenstruktur des Schienenfahrzeugkopfes befestigt und ausgelegt ist, bei Überschreiten einer in den Unterfahrschutz eingeleiteten kritischen Stoßkraft durch kontrollierte Verformung zumindest einen Teil der bei der Stoßkraftübertragung anfallenden Stoßenergie abzubauen.
  • Alternativ hierzu ist es denkbar, dass der Unterfahrschutz über Führungsschienen mit der Unterseite der Unterbodenstruktur derart verbunden ist, dass der Unterfahrschutz nach Überschreiten einer in den Unterfahrschutz eingeleiteten kritischen Stoßkraft relativ zu der Unterbodenstruktur in Fahrzeuglängsrichtung verschiebbar ist, wobei ferner mindestens ein aus Faserverbundwerkstoff gebildetes Energieverzehrelement vorgesehen ist, welches derart angeordnet und ausgelegt ist, dass bei einer Verschiebung des Unterfahrschutzes relativ zu der Unterbodenstruktur der Faserverbundwerkstoff des Energieverzehrelementes unter gleichzeitigem Abbau von zumindest einem Teil der bei der Stoßkraftübertragung in den Unterfahrschutz eingeleiteten Stoßenergie nicht-duktil zerstört wird.
  • Zum Bereitstellen eines kollisionssicheren Schienenfahrzeugkopfes ist es ferner bevorzugt, eine Frontscheibe vorzusehen, die zumindest teilweise an der selbsttragenden Struktur des Fahrzeugkopfes befestigt ist, wobei diese Frontscheibe vorzugsweise ebenfalls eine Energieverzehrfunktion aufweist. Denkbar hierbei ist es, dass die Frontscheibe ein inneres und ein äußeres durchsichtiges (transparentes) Flächenelement aufweist, wobei diese Flächenelemente beabstandet voneinander angeordnet sind und zwischen ihnen einen Zwischenraum ausbilden. Dieser Zwischenraum kann mit einem Verbindungselement zwischen dem äußeren und inneren Flächenelement, beispielsweise in Form von einem durchsichtigen (transparenten) Energieabsorptionsschaum aufgefüllt werden. Ebenso ist es denkbar, das Verbindungselement in einem Randbereich der Flächenelemente im Zwischenraum vorzusehen. In diesem Fall kann der Randbereich mit weniger durchsichtigem Energieabsorptionsschaum aufgefüllt werden.
  • Denkbar ist natürlich auch für diese Art der Frontscheiben-Energieabsorption, die Konstruktion mehrschichtig auszuführen, d. h. mehrere im definierten Abstand mit Verbindungselementen übereinander befestigte Flächenelemente anzuordnen.
  • Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beispielhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Schienenfahrzeugkopfes beschrieben.
  • Es zeigen:
    • Fig. 1
    eine perspektivische Ansicht auf eine erste Ausführungsform der Fahrzeugkopfstruktur des erfindungsgemäßen Fahrzeugkopfes;
    Fig. 2
    eine Seitenansicht auf die Fahrzeugkopfstruktur gemäß Fig. 1;
    Fig. 3
    eine Seitenansicht auf den Fahrzeugkopf gemäß der ersten Ausführungsform mit einer Struktur gemäß Fig. 1 und einem angedeuteten Außendesign;
    Fig. 4
    eine Seitenansicht auf eine A-Säule mit am unteren Bereich der A-Säule befestigter Seitenstrebe und am oberen Bereich der A-Säule befestigter Dachstruktur;
    Fig. 5
    eine perspektivische Ansicht auf die Seitenstrebe gemäß Fig. 4;
    Fig. 6
    eine perspektivische Ansicht auf die bei der Fahrzeugkopfstruktur gemäß Fig. 1 zum Einsatz kommende Dachstruktur;
    Fig. 7
    eine perspektivische Ansicht auf das bei der Fahrzeugkopfstruktur gemäß Fig. 1 zum Einsatz kommende Brüstungselement mit daran befestigten ersten Energieverzehrelementen;
    Fig. 8
    eine perspektivische Ansicht auf die bei der Fahrzeugkopfstruktur gemäß Fig. 1 zum Einsatz kommende Unterbodenstruktur in einer teilgeschnitten Ansicht;
    Fig. 9
    eine perspektivische Ansicht auf Komponenten der Unterbodenstruktur gemäß Fig. 8;
    Fig. 10
    eine Seitenansicht auf ein in der Unterbodenstruktur gemäß Fig. 8 zum Einsatz kommendes drittes Energieverzehrelement in einer Schnittansicht;
    Fig. 11
    das in Fig. 10 gezeigte dritte Energieverzehrelement in einer Explosionsdarstellung;
    Fig. 12
    einen Ausschnitt aus dem dritten Energieverzehrelement gemäß Fig. 10;
    Fig. 13
    eine Seitenansicht auf das in der Unterbodenstruktur gemäß Fig. 8 zum Einsatz kommende vierte Energieverzehrelement in einer teilgeschnittenen Ansicht;
    Fig. 14
    das in Fig. 13 dargestellte vierte Energieverzehrelement in einer Explosionsdarstellung;
    Fig. 15
    eine alternative Ausführungsform für das vierte Energieverzehrelement;
    Fig. 16
    eine perspektivische Ansicht auf eine Ausführungsform des bei der Fahrzeugkopfstruktur gemäß Fig. 1 zum Einsatz kommenden Unterfahrschutzes;
    Fig. 17
    eine alternative Ausführungsform des Unterfahrschutzes;
    Fig. 18
    eine alternative Ausführungsform des Unterfahrschutzes; und
    Fig. 19
    eine alternative Ausführungsform der erfindungsgemäßen Fahrzeugkopfstru ktu r.
  • Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen eine erste Ausführungsform der Fahrzeugkopfstruktur 100 beschrieben, die bei dem erfindungsgemäßen Fahrzeugkopf einsetzbar ist.
  • Im Einzelnen ist in Fig. 1 die erste Ausführungsform der Fahrzeugkopfstruktur 100 in einer perspektivischen Ansicht gezeigt. Fig. 2 zeigt die Fahrzeugkopfstruktur 100 gemäß Fig. 1 in einer Seitenansicht. Eine Seitenansicht auf den Fahrzeugkopf gemäß der ersten Ausführungsform mit einer Fahrzeugkopfstruktur 100 gemäß Fig. 1 bzw. Fig. 2 und einem angedeuteten Außendesign 102 ist in Fig. 3 gezeigt.
  • Demnach handelt es sich bei der dargestellten Ausführungsform um eine Fahrzeugkopfstruktur 100, welche ausgelegt ist, an der Stirnseite eines (nicht explizit dargestellten) Schienenfahrzeuges befestigt zu werden. Die Fahrzeugkopfstruktur 100 ist vollständig aus Strukturelementen aufgebaut, die nachfolgend unter Bezugnahme insbesondere der Figuren 4 bis 18 beschrieben werden. Diese Strukturelemente, aus welchen die Fahrzeugkopfstruktur 100 aufgebaut ist, sind durchweg aus Faserverbundwerkstoff gebildet und können in Differential-, Integral- oder Mischbauweise ausgeführt werden. Unter Berücksichtigung der Festigkeits- und Fertigungsvorteile der Faserverbund-/Faserverbund-Sandwich-Strukturen mit Zielstellung des Leichtbaus wird eine weitestgehend integrale Bauweise des Schienenfahrzeugkopfes vorgesehen.
  • Faserverbundwerkstoffe sind aus in polymere Matrixsysteme eingebetteten Verstärkungsfasern aufgebaut. Während die Matrix die Fasern in einer vorbestimmten Position hält, Spannungen zwischen den Fasern überträgt und die Fasern vor äußeren Einflüssen schützt, kommt den Verstärkungsfasern die tragenden mechanischen Eigenschaften zu. Als Verstärkungsfasern sind insbesondere Glas-, Aramid- und Kohlenstofffasern geeignet. Da Aramidfasern aufgrund ihrer Dehnbarkeit nur eine relativ niedrige Steifigkeit aufweisen, sind zur Ausbildung der jeweiligen Energieverzehrelemente der Fahrzeugkopfstruktur 100 insbesondere Glas- und Kohlenstofffasern bevorzugt. Allerdings eignen sich Aramidfasern beispielsweise bei der Ausbildung der verformungssteifen Stirnwand 15, welche dazu dient, einen in der selbsttragenden Struktur des Fahrzeugkopfes aufgenommenen Fahrzeugführerstand 101 im Crashfall vor Intrusionen zu schützen.
  • Zur Konstruktion der jeweiligen Strukturelemente der Fahrzeugkopfstruktur 100 wird in bevorzugter Weise eine bestimmte Faserarchitektur bzw. ein bestimmter Lagenaufbau realisiert, um an den zu erwartenden Lastfall angepasste Eigenschaften der Strukturelemente zu erhalten. Insbesondere ist es bevorzugt, als Material für die Strukturelemente, welche die verformungssteife, selbsttragende Struktur des Fahrzeugkopfes 100 aufbauen, einen kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff einzusetzen, da ein derartiger Werkstoff sehr hohe spezifische Festigkeiten aufweist. Durch die materielle Festlegung des Lagen- und Sandwichaufbaus einschließlich des Materixsystems und des Fertigungsverfahrens werden nicht nur die Lasten in Stoßkraftrichtung, die weitgehend der Fahrzeuglängsrichtung entspricht, aufgenommen, sondern auch alle im Betrieb und im Kollisionsfall räumlich angreifenden weiteren Lasten, d.h. Querkräfte und Momente.
  • Wie bereits eingangs angedeutet, zeichnet sich eine Fahrzeugkopfstruktur 100, welche nach den erfindungsgemäßen Lehren ausgebildet ist, dadurch aus, dass diese vollständig aus Strukturelementen aufgebaut ist, die aus Faserverbundwerkstoff gebildet sind, wobei die die Fahrzeugkopfstruktur 100 aufbauenden Strukturelemente einerseits Strukturelemente ohne Energieverzehr ("erste Strukturelemente") und andererseits Strukturelemente mit Energieverzehr ("zweite Strukturelemente") aufweisen. Die ersten Strukturelemente sind derart ausgebildet und direkt miteinander verbunden, dass zur Aufnahme eines Fahrzeugführerstandes 101 eine im Wesentlichen verformungssteife, selbsttragende Kopfstruktur ausgebildet wird.
  • Bei der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsform der Fahrzeugkopfstruktur 100 gehören zu den ersten Strukturelementen, welche also die im Wesentlichen verformungssteife, selbsttragende Struktur der Fahrzeugkopfstruktur 100 ausbilden, insbesondere zwei jeweils seitlich der Fahrzeugkopfstruktur 100 angeordneten A-Säulen 10, 10' sowie eine jeweils den oberen Bereich der beiden A-Säulen 10, 10' fest verbindende Dachstruktur 11. Bei der Ausführungsform der Fahrzeugkopfstruktur 100 beispielsweise gemäß Fig. 1 gehören zu den ersten Strukturelementen ferner Seitenstreben 12, 12', welche jeweils mit dem unteren Bereich der beiden A-Säulen 10, 10' fest verbunden sind und zur Übertragung von Stoßkräften in die Wagenstruktur des Schienenfahrzeuges (nicht explizit dargestellt) dienen.
  • In Fig. 4 ist eine Seitenansicht auf eine A-Säule 10 dargestellt, welche mit einer Seitenstrebe 12 und einer Dachstruktur 11 verbunden ist, wobei diese Kombination aus A-Säule 10, Seitenstrebe 12 und Dachstruktur 11 bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform der Fahrzeugkopfstruktur zum Einsatz kommt.
  • In Fig. 5 ist die Seitenstrebe 12 in einer perspektivischen Ansicht gezeigt.
  • Zusätzlich zu den ersten Strukturelementen, welche die verformungssteife, selbsttragende Fahrzeugkopfstruktur 100 aufbauen, gehört bei der dargestellten Ausführungsform der Fahrzeugkopfstruktur 100 ferner ein Brüstungselement 14 sowie die bereits erwähnte verformungssteife Stirnwand 15. Das Brüstungselement 14, welches bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform der Fahrzeugkopfstruktur 100 zum Einsatz kommt, ist in einer separaten Darstellung in Fig. 7 gezeigt.
  • Fig. 6 zeigt die Dachstruktur 11, welche bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 verwendet wird.
  • Die erfindungsgemäße Fahrzeugkopfstruktur 100 weist - wie bereits angedeutet - neben den ersten Strukturelementen auch noch zweite Strukturelemente auf, d.h. Strukturelemente mit Energieverzehr. Zu diesen zweiten Strukturelementen gehören einerseits aus Faserverbundwerkstoff gebildete erste Energieverzehrelemente 20, 20'. Dabei ist vorgesehen, dass an der Stirnseite des Brüstungselementes 14 mindestens ein erstes Energieverzehrelement - in der Darstellung gemäß Fig. 1 und insbesondere gemäß Fig. 7 genau zwei erste Energieverzehrelemente 20, 20' - angeordnet sind.
  • Diese an der Stirnseite des Brüstungselementes 14 angeordneten ersten Energieverzehrelemente 20, 20' sind aus Faserverbund-/Faserverbund-Sandwich-Werkstoff gebildet und ausgelegt, bei Überschreiten einer kritischen Stoßkraft anzusprechen und zumindest einen Teil der bei der Stoßkraftübertragung anfallenden und in das erste Energieverzehrelement 20, 20' eingeleiteten Stoßenergie durch nicht-duktile Zerstörung von zumindest einem Teil der Faserstruktur des ersten Energieverzehrelements 20, 20' abzubauen.
  • Andererseits gehören zu den zweiten Strukturelementen ebenfalls aus Faserverbund-/Faserverbund-Sandwich-Werkstoff gebildete zweite Energieverzehrelemente 21, 21', die den beiden A-Säulen 10, 10' der tragenden Struktur des Fahrzeugkopfs 100 zugeordnet sind. Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform der Fahrzeugkopfstruktur 100 ist an jeder der Stirnseite der Fahrzeugkopfstruktur 100 zugewandten Fläche der A-Säulen 10, 10', jeweils ein zweites Energieverzehrelement 21, 21' angeordnet. Wie auch die ersten Energieverzehrelemente 20, 20' sind die zweiten Energieverzehrelemente 21, 21' aus Faserverbund-/Faserverbund-Sandwich-Werkstoff gebildet und ausgelegt, bei Überschreiten einer kritischen Stoßkraft anzusprechen und zumindest einen Teil der bei der Stoßkraftübertragung anfallenden und in das zweite Energieverzehrelement 21, 21' eingeleiteten Stoßenergie durch nicht-duktile Zerstörung von zumindest einem Teil der Faserstruktur des zweiten Energieverzehrelements 21, 21' abzubauen.
  • Die ersten und zweiten Energieverzehrelemente 20, 20' bzw. 21, 21' sind mit den entsprechenden ersten Strukturelementen, d.h. dem Brüstungselement 14 und den A-Säulen 10, 10', vorzugsweise stoffschlüssig fest verbunden, insbesondere verklebt.
  • Die A-Säulen 10, 10' und die damit fest verbundene Dachstruktur 11 bilden zusammen mit den Seitenstreben 12, 12' und dem Brüstungselement 14 eine selbsttragende verformungssteife Kopfstruktur, welche sowohl betriebsfest als auch kollisionssicher ausgelegt ist, den im Crashfall nicht bereits von den zweiten Strukturelementen abgebauten Anteil der in den Fahrzeugkopfstruktur 100 eingeleiteten Stoßenergie durch die verformungssteife Fahrzeugkopfstruktur 100 kontrolliert abzubauen, um die auf den Führerstand und die mit dem Fahrzeugkopf verbundene Wagenkastenstruktur des Schienenfahrzeuges wirkenden Beschleunigungen und Kräfte zu begrenzen.
  • In einer bevorzugten Realisierung der erfindungsgemäßen Lösung bestehen die Seitenstreben 12, 12' und die A-Säulen 10, 10' aus einem aus Faserverbundwerkstoff gebildeten Hohlprofil, in welchem zur Erhöhung der Steifigkeit der Seitenstreben 12, 12' bzw. der A-Säulen 10, 10' ein Stützmaterial beispielsweise in Form eines Schaums eingefüllt ist. Andererseits empfiehlt es sich, die Dachstruktur 11 in SandwichBauweise aus einem Faserverbundwerkstoff herzustellen.
  • Das Brüstungselement 14 dient in erster Linie zur strukturellen Verbindung der beiden A-Säulen 10, 10' so dass dieses Brüstungselement 14 den jeweils unteren Bereich der beiden A-Säulen 10, 10' miteinander verbindet. Die bereits erwähnte verformungssteife Stirnwand 15 ist derart mit dem Brüstungselement 14 verbunden, dass eine Stirnfläche der Fahrzeugkopfstruktur 100 ausgebildet wird, um den in der selbsttragenden Struktur aufgenommenen Fahrzeugführerstand 101 im Crashfall vor Intrusionen zu schützen.
  • Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die Figuren 8 und 9 die Unterbodenstruktur 16 beschrieben, welche bei der in Fig. 1 dargestellten Fahrzeugkopfstruktur 100 vorgesehen ist.
  • Im Einzelnen ist die Unterbodenstruktur 16 aus Faserverbund-/Faserverbund-Sandwich-Werkstoff ausgebildet und mit ersten Strukturelementen der Fahrzeugkopfstruktur 100 derart verbunden, dass der Boden des Führerstandes 101 bzw. der Boden der Fahrzeugkopfstruktur 100 gebildet wird.
  • Wie es insbesondere der Darstellung in Fig. 8 entnommen werden kann, weist die Unterbodenstruktur 16 ein aus Faserverbund-/Faserverbund-Sandwich-Werkstoff gebildetes oberes Flächenelement 16a und ein hiervon beabstandetes, ebenfalls aus Faserverbundwerkstoff gebildetes unteres Flächenelement 16b auf, wobei diese Flächenelemente 16a, 16b voneinander beabstandet sind. Ferner sind aus Faserverbundwerkstoff gebildete Streben 16c vorgesehen, welche das obere und untere Flächenelement 16a, 16b fest miteinander verbinden.
  • In der Unterbodenstruktur 16 sind bei der dargestellten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Fahrzeugkopfstruktur 100 zwei dritte Energieverzehrelemente 22, 22' aufgenommen, wobei diese dritten Energieverzehrelemente 22, 22' jeweils einen Crashpuffer darstellen.
  • Andererseits weist die Fahrzeugkopfstruktur 100 gemäß der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform eine Crashkupplung mit integrierten Energieverzehrelementen auf, welche im Wesentlichen aus einem vierten Energieverzehrelement 23, einem Lagerbock 31 sowie einer Mittelpufferkupplung 30 besteht. Wie in Fig. 9 gezeigt, ist das vierte Energieverzehrelement 23 in der Unterbodenstruktur 16 in Stoßrichtung hinter dem Lagerbock 31 angeordnet und dient zum Verzehr von zumindest einem Teil der über die Mittelpufferkupplung 30 in die Unterbodenstruktur 16 eingeleiteten irreversiblen Stoßenergie.
  • Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die Darstellungen in den Figuren 10 bis 12 der Aufbau und die Funktionsweise der bei der dargestellten Ausführungsform zum Einsatz kommenden dritten Energieverzehrelemente (Crashpuffer) näher beschrieben.
  • Der Darstellung in den Figuren 10 und 11 kann entnommen werden, dass das dritte Energieverzehrelement 22, 22' im Wesentlichen aus einem Führungsrohr 60 und einem Druckrohr 62 besteht. Im Einzelnen ist das Druckrohr 62 als Kolben und zumindest der dem Druckrohr 62 zugewandte Bereich des Führungsrohres 60 als Zylinder ausgebildet. Der dem Führungsrohr 60 zugewandte Bereich des als Kolben ausgebildeten Druckrohres 62 ist teleskopartig von dem als Zylinder ausgebildeten Bereich des Führungsrohres 60 aufgenommen.
  • Das Führungsrohr 60 ist einstückig aus Faserverbundwerkstoff ausgebildet. Im Einzelnen weist das Führungsrohr 60 einen Energieverzehrbereich 61 sowie einen an den Energieverzehrbereich angrenzenden Führungsbereich auf.
  • Wie es insbesondere der Darstellung in Fig. 12 entnommen werden kann, ist am Übergang zwischen dem Energieverzehrbereich 61 und dem Führungsbereich eine Kante vorgesehen, welche einen Anschlag 63 ausbildet, an den das als Kolben ausgebildete Druckrohr 62 anstößt. Im Einzelnen ist somit der Führungsrohr 60 als ein aus Faserverbundwerkstoff ausgebildeter rohrförmiger Körper ausgeführt, der im Inneren einen Absatz aufweist, welcher den Anschlag 63 ausbildet. Andererseits ist das als Kolben ausgebildete Druckrohr 62 als ein rohrförmiger Körper ausgeführt, der eine Innenfase 66 aufweist (vgl. Fig. 12).
    Selbstverständlich ist es ebenso denkbar, das hier exemplarisch dargestellte Führungsrohr 60 und das Druckrohr 62, jeweils mit einem Kreisringquerschnitt gezeigt, mit anderen Querschnittsgeometrien, beispielsweise mit ovalen, rechteckigen, quadratischen, drei- oder fünfeckigen Querschnittsgeometrien auszuführen.
  • Wie es der Darstellung in Fig. 12 entnommen werden kann, ist es grundsätzlich denkbar, dass die Stirnseite des dem Führungsrohr 60 zugewandten Bereiches des als Kolben ausgebildeten Druckrohres 62 an den Anschlag 63 des Energieverzehrbereiches 61 direkt anstößt. Alternativ hierzu ist es allerdings auch denkbar, dass an der Stirnseite des als Kolben ausgebildeten Druckrohres 62 ein Kegelring 64 vorgesehen ist, so dass dieser Kegelring 64 an den Anschlag 63 des Führungsrohres 60 anstößt (vgl. Fig. 10 und Fig. 11). Der Kegelring 64 sollte dabei fest mit der Stirnseite des Druckrohres 62 verbunden sein.
  • Der Führungsbereich des Führungsrohres 60 ist bei der in Fig. 10 und Fig. 11 dargestellten Ausführungsform als Führungsrohr ausgebildet, dessen Innendurchmesser größer als der Außendurchmesser des als Kolben ausgebildeten Druckrohres 62 ist. Auf diese Weise kann der dem Führungsrohr 60 zugewandte Bereich des Druckrohres 62 teleskopartig von dem Führungsrohr 60 aufgenommen werden.
  • Wie es insbesondere der Darstellung in Fig. 10 entnommen werden kann, weist das insgesamt rohrförmig ausgebildete Führungsrohr 60 innerhalb des Energieverzehrbereiches 61 einen Innendurchmesser auf, welcher kleiner als der Außendurchmesser des Druckrohres 62 ist (vgl. hierzu auch die Darstellung in Fig. 12). Die beim Übergang zwischen dem Führungsbereich und dem Energieverzehrbereich 61 vorgesehene Kante 63 stellt somit einen Anschlag dar, an den das als Kolben ausgebildete Druckrohr 62 anstößt. Die konstruktive Gestaltung dieses Übergangsbereichs als Triggerstelle für das Druckrohr 62 beeinflusst maßgeblich die Anfangskraftspitze und das Kraft-Verformungs-Verhalten des Faserverbund-Energieverzehrelements (Druckrohr 62).
  • Das in den Figuren 10 und 11 exemplarisch dargestellte dritte Energieverzehrelement 22, 22' ist dahingehend ausgelegt, dass in das Energieverzehrelement 22, 22', und insbesondere in das als Kolben ausgebildete Druckrohr 62 eingeleitete Stoßkräfte in die dem Führungsrohr 60 abgewandte Stirnseite des Druckrohres 62 eingeleitet werden. Hierzu ist es denkbar, an der dem Führungsrohr 60 abgewandten Stirnseite des Druckrohres 62 einen Aufkletterschutz 65 anzubringen.
  • Die für das Ansprechen des dritten Energieverzehrelementes 22, 22' kritische Stoßkraft wird durch die Materialeigenschaften und konstruktive Gesaltung, insbesondere im Übergangsbereich (Triggerbereich, Anschlag 63) festgelegt. Im Einzelnen wird die für das Ansprechen des dritten Energieverzehrelementes 22, 22' kritische Stoßkraft durch die Materialeigenschaften und konstruktive Gestaltung des Energieverzehrbereiches 61 bestimmt. Beim Ansprechen des dritten Energieverzehrelementes 22, 22' wird das Faserverbundmaterial der Innenwand des Energieverzehrbereiches 61 von dem sich relativ zu dem Führungsrohr 60 in Richtung des Energieverzehrbereiches 61 bewegenden Druckrohr 62 nicht-duktil zerfasert.
  • Wesentlich ist dabei, dass von dem sich in Richtung Energieverzehrbereich 61 bewegenden Druckrohr 62 nur das Material des Energieverzehrbereiches 61 nicht-duktil zerfasert wird, welches die Innenwand des Energieverzehrbereiches 61 bildet. Beim Energieverzehr schiebt sich somit das Druckrohr 62 weiter in das Führungsrohr 60 hinein und schabt dabei den Innenbereich des Energieverzehrbereiches 61 aus. Bei diesem Abschaben wird Material des Energieverzehrbereiches 61 zerfasert, wobei die Außenwand des Energieverzehrbereiches 61 jedoch nicht in Mitleidenschaft gezogen wird. Die verbleibende Außenwand des Energieverzehrbereiches 61 dient als Führungsfläche zum Führen der Bewegung des Druckrohres 62 gegenüber dem Führungsrohr 60.
  • Damit beim Ansprechen des dritten Energieverzehrelementes 22, 22' nur das Faserverbundmaterial des Energieverzehrbereiches 61, und nicht beispielsweise das Material des Druckrohres 62 zerfasert wird, sollte die Stirnseite des Druckrohres 62 eine im Vergleich zu dem Energieverzehrbereich 61 höhere Festigkeit aufweisen.
  • Wie es insbesondere der Darstellung in Fig. 12 entnommen werden kann, ist das als Kolben ausgeführte Druckrohr 62 als ein an seiner dem Führungsrohr 60 zugewandten Stirnseite offener Hohlkörper ausgebildet, wobei dieser Hohlkörper eine Innenfase 66 aufweist. Die bei der Bewegung des Druckrohres 62 relativ zu dem Führungsrohr 60 entstehenden Bruchteile des aus Faserverbundwerkstoff gebildeten Energieverzehrbereiches 61 werden dabei im Inneren des Hohlkörpers aufgenommen. Dies hat den Vorteil, dass bei dem Zerfasern des Energieverzehrbereiches 61 keine Bruchteile des Faserverbundwerkstoffes nach außen gelangen können.
  • Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die Darstellungen in den Figuren 13 bis 15 mögliche Ausführungsformen für das vierte Energieverzehrelement 23 beschrieben, welches in der Unterbodenstruktur 16 der Fahrzeugkopfstruktur 100 vorgesehen ist.
  • Im Einzelnen dient das vierte Energieverzehrelement 23 zur Absorption der über die Mittelpufferkupplung 30 in die Unterbodenstruktur 16 eingeleiteten Stoßkräfte im Crashfall. Hierzu ist das vierte Energieverzehrelement 23 in Stoßrichtung hinter dem Lagerbock 31 angeordnet, über den die Mittelpufferkupplung 30 in horizontaler und vertikaler Richtung schwenkbar ist.
  • Das vierte Energieverzehrelement 23 weist ein vorzugsweise aus Faserverbundwerkstoff ausgebildetes Führungsrohr 60, ein Crashrohr 61 sowie ein Druckrohr 62 auf. Im Einzelnen sind bei der in Fig. 13 dargestellten Ausführungsform in dem der Mittelpufferkupplung 30 zugewandten Bereich des Führungsrohres 60 das Crashrohr 61 und in dem gegenüberliegenden Bereich das Druckrohr 62 teleskopartig aufgenommen. Zwischen dem Crashrohr 61 und dem Druckrohr 62 ist eine Verjüngung 64 beispielsweise in Gestalt eines Kegelringes angeordnet. Im Crashfall reißen die Verbindungselemente der Kupplung 30 von dem Lagerbock 31 ab. Die im Führungsrohr 60 geführte Kupplung drückt auf einen Fangteller 32. Der Fangteller 32 leitet die Stoßkraft in das Druckrohr 62 ein, welches sich relativ zu dem Führungsrohr 60 in Richtung des Crashrohres 61 bewegt. Dabei drückt das Druckrohr 62 über die Verjüngung 64 auf das Crashrohr 61. Beim Erreichen der dafür ausgelegten Verformungskraft stülpen sich die Verjüngung 64 und das Druckrohr 62 über das Crashrohr 61, welches nicht-duktil zerfasert und dabei die bei der Stoßkraftübertragung anfallende Stoßenergie zumindest teilweise absorbiert. Das umgeformte bzw. zerfaserte Material des Crashrohrs 61 verbleibt dabei im Druckrohr 62.
  • Wie auch bei dem unter Bezugnahme auf die Darstellungen in den Figuren 10 und 11 zuvor beschriebenen dritten Energieverzehrelement 22, 22' ist es bevorzugt, wenn sämtliche Bauteile des vierten Energieverzehrelementes 23 aus einem Faserverbundwerkstoff gebildet sind. Gegebenfalls kann jedoch die Verjüngung 64 aus einer Metallstruktur ausgebildet sein.
  • In Fig. 15 ist eine alternative Ausführungsform zu dem vierten Energieverzehrelement 23 dargestellt. Wie auch das Energieverzehrelement 23 gemäß den Figuren 13 und 14 besteht die in Fig. 14 dargestellte Ausführungsform aus einem Stütz- bzw. Druckrohr 62, einer Verjüngung 64, einem Führungsrohr 60 und einem Crashrohr 61, wobei allerdings diesmal das Crashrohr 61 in dem der Mittelpufferkupplung 30 zugewandten Bereich des Führungsrohres 60 vorgesehen ist. Im Crashfall reißt die Kupplung 30 von dem Lagerbock 31 ab und drückt auf den Fangteller 32, wobei der Fangteller 32 die Stoßkraft in das Crashrohr 61 einleitet, so dass das Crashrohr 61 in die Verjüngung 64 gedrückt wird. Beim Erreichen des Verformungskraftniveaus schiebt sich das Crashrohr 61 durch die Verjüngung 64 in das Druckrohr 62, welches auch gleichzeitig ein Teil des Führungsrohres 60 sein kann (vgl. Fig. 12). Der Energieverzehr findet wieder durch das Verjüngen des Crashrohres 60 statt. Das umgeformte bzw. zerfaserte Material des Crashrohres 60 verbleibt im Druckrohr 62.
  • In Fig. 16 ist in einer perspektivischen Ansicht ein aus Faserverbund/-Faserverbund-Sandwich-Werkstoff gebildeter Unterfahrschutz 24 dargestellt, welcher an der Unterseite der Unterbodenstruktur 16 der in Fig. 1 dargestellten Fahrzeugkopfstruktur 100 befestigt und ausgelegt ist, bei Überschreiten einer in den Unterfahrschutz 24 eingeleiteten kritischen Stoßkraft durch kontrollierte Verformung zumindest einen Teil der bei der Stoßkraftübertragung anfallenden Stoßenergie abzubauen.
  • In den Figuren 17 und 18 sind alternative Ausführungsformen des Unterfahrschutzes 24 dargestellt.
  • Im Einzelnen ist bei diesen Ausführungsformen jeweils der Unterfahrschutz 24 über ein Schienensystem 17 mit der Unterbodenstruktur 16 verbunden. Bei der in Fig. 17 dargestellten Ausführungsform besteht der Unterfahrschutz 24 aus Faserverbundwerkstoff bzw. Faserverbund-Sandwich-Materialien und weist mehrere Energieverzehrelemente 25, 25', 26, 26' (zwei im vorderen und zwei im hinteren Bereich) auf. Die Energieverzehrelemente 25, 25' mit verschiedenen Verformungskraftniveaus absorbieren zuerst im vorderen Bereich Kollisionsenergie, danach wird der Unterfahrschutz 24 innerhalb der Schienen 17 auf die zweiten Energieverzehrelemente 26, 26' geschoben.
  • Bei der in Fig. 18 dargestellten Ausführungsform des Unterfahrschutzes 24 wird im Crashfall der Unterfahrschutz 24 entlang der Führungsschiene 17 auf Crashelemente 25, 25' geschoben.
  • In Fig. 19 sind Teile einer weiteren Ausführungsform der Fahrzeugkopfstruktur 100 in einer perspektivischen Darstellung gezeigt. Das Charakteristische dieser Ausführungsform ist insbesondere in den A-Säulen 10 zu sehen, wobei in Fig. 19 der Übersichtlichkeit halber nur eine der beiden A-Säulen gezeigt ist. Die A-Säulen 10 bei der in Fig. 19 dargestellten Ausführungsform weisen eine insgesamt gebogene Struktur auf, so dass die in die A-Säulen 10 eingeleiteten Kräfte direkt in das Untergestell 16 ohne zusätzliche Seitenstrebe übertragen werden können. Diese spezielle Variante lässt ein starkes reversibles Einfedern der A-Säulen 10 im Crashfall zu. Im hufeisenförmigen Untergestell 16 sind die Crashpuffer 22, 22' integriert, wobei der Kupplungsanschluss über ein integrales Stützrohr 23 erfolgt.
  • Die Erfindung ist nicht auf die in den Zeichnungen beispielhaft dargestellten Ausführungsformen beschränkt, sondern ergibt sich aus einer Zusammenschau sämtlicher hierin offenbarter Merkmale.
    • Bezugszeichenliste
    • 10, 10'
    A-Säule
    11
    Dachstruktur (Dach B3)
    12, 12'
    Seitenstrebe (Seitenstrebe B1)
    14
    Brüstungselement (Brüstung B4)
    15
    Stirnwand (Stirnwand B5)
    16
    Unterbodenstruktur (untere Struktur B6)
    16a
    oberes Flächenelement der Unterbodenstruktur
    16b
    unteres Flächenelement der Unterbodenstruktur
    16c
    Streben der Unterbodenstruktur
    17
    Führungsschiene des Unterfahrschutzes bzw. Bahnräumers
    20, 20'
    erstes Energieverzehrelement (Energieverzehrelement B10)
    21, 21'
    zweites Energieverzehrelement (Energieverzehrelement B9)
    22, 22'
    drittes Energieverzehrelement (Crashpuffer B7)
    23
    viertes Energieverzehrelement (Crashkupplung B8)
    24
    Bahnräumer (Bahnräumer B11)
    25, 25'
    fünftes Energieverzehrelement (gehört zum Bahnräumer)
    26, 26'
    sechstes Energieverzehrelement (gehört zum Bahnräumer)
    30
    Mittelpufferkupplung
    31
    Lagerbock
    32
    Fangteller
    60
    Führungsrohr
    61
    Energieverzehrbereich/Crashrohr
    62
    Stützrohr
    63
    Kante/Anschlag
    64
    Verjüngung/Kegelring
    65
    Aufkletterschutz
    66
    Innenfase
    100
    Fahrzeugkopf/Fahrzeugkopfstruktur
    101
    Fahrzeugführerstand
    102
    Verkleidung

Claims (26)

  1. Fahrzeugkopf mit einer Fahrzeugkopfstruktur (100) zur Befestigung an der Stirnseite eines spurgebundenen Fahrzeuges, insbesondere eines Schienenfahrzeuges, wobei die Fahrzeugkopfstruktur (100) vollständig aus Strukturelementen aufgebaut ist, die aus Faserverbund- bzw. Faserverbund-Sandwich-Werkstoff gebildet sind, wobei die die Fahrzeugkopfstruktur (100) aufbauenden Strukturelemente erste Strukturelemente (10, 10', 11, 12, 12', 14, 15, 16) aufweisen, die derart ausgebildet und direkt miteinander verbunden sind, dass zur Aufnahme eines Fahrzeugführerstandes (101) eine im Wesentlichen verformungssteife, selbsttragende Kopfstruktur ausgebildet wird, und wobei die die Fahrzeugkopfstruktur (100) aufbauenden Strukturelemente zweite Strukturelemente (20, 20', 21, 21', 22, 22', 23, 24, 24') aufweisen, die derart mit den ersten Strukturelementen (10, 10', 11, 12, 12', 14, 15, 16) verbunden und ausgelegt sind, dass zumindest ein Teil der in einem Kollisionsfall des spurgebundenen Fahrzeugs aufgrund einer Stoßkraftübertragung anfallenden und in die Struktur (100) eingeleiteten Stoßenergie durch zumindest teilweise irreversible Verformung oder zumindest teilweise Zerstörung der zweiten Strukturelemente (20, 20', 21, 21', 22, 22', 23, 24, 24') abgebaut wird.
  2. Fahrzeugkopf nach Anspruch 1,
    wobei die ersten Strukturelemente (10, 10', 11, 12, 12', 14, 15, 16) derart ausgebildet und miteinander verbunden sind, dass der in einem Crashfall nicht bereits durch die zweiten Strukturelemente (20, 20', 21, 21', 22, 22, 23, 24, 24') abgebaute Teil der in den Fahrzeugkopf eingeleiteten Stoßenergie in eine mit dem Fahrzeugkopf verbundene Wagenkastenstruktur des Schienenfahrzeuges zumindest teilweise übertragbar ist.
  3. Fahrzeugkopf nach Anspruch 1 oder 2,
    wobei die zweiten Strukturelemente (20, 20', 21, 21', 22, 22', 23, 24, 24') ausgelegt sind, bei Überschreiten einer vorab festlegbaren kritischen Stoßkraft anzusprechen und zumindest teilweise die bei der Stoßkraftübertragung anfallende und in die zweiten Strukturelemente (20, 20', 21, 21', 22, 22', 23, 24, 24') eingeleitete Stoßenergie in destruktiver Weise in Sprödbruchenergie irreversibel umzuwandeln und somit abzubauen.
  4. Fahrzeugkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    wobei die Fahrzeugkopfstruktur (100) vorzugsweise lösbar mit einer in Fahrtrichtung zeigenden Schnittstelle des Schienenfahrzeuges verbindbar ist.
  5. Fahrzeugkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    wobei zur Ausbildung der im Wesentlichen verformungssteifen selbsttragenden Rahmenstruktur die ersten Strukturelemente (10, 10', 11, 12, 12', 14, 15, 16) zwei jeweils seitlich der Fahrzeugkopfstruktur (100) angeordnete A-Säulen (10, 10') sowie eine jeweils den oberen Bereich der beiden A-Säulen (10, 10') fest verbindende Dachstruktur (11) aufweisen, wobei die A-Säulen (10, 10') und die damit fest verbundene Dachstruktur (11) ausgebildet sind, den im Crashfall nicht bereits von den zweiten Strukturelementen (20, 20', 21, 21', 22, 22', 23, 24, 24') abgebauten Teil der in den Fahrzeugkopf eingeleiteten Stoßenergie in eine mit der Fahrzeugkopfstruktur (100) verbundene Wagenkastenstruktur des Schienenfahrzeuges zu übertragen.; und
    wobei die ersten Strukturelemente (10, 10', 11, 12, 12', 14, 15, 16) vorzugsweise ferner Seitenstreben (12, 12') aufweisen, welche jeweils mit dem unteren Bereich der beiden A-Säulen (10, 10') fest verbunden sind und zur Übertragung des im Crashfall nicht bereits durch die zweiten Strukturelemente (20, 20', 21, 21', 22, 22', 23, 24, 24') abgebauten Teils der Stoßenergie in die Wagenkastenstruktur des Schienenfahrzeuges dienen.
  6. Fahrzeugkopf nach Anspruch 5,
    wobei die A-Säulen (10, 10') jeweils bogenförmig ausgebildet sind, und wobei die ersten Strukturelemente (10, 10', 11, 12, 12', 14, 15, 16) ferner eine Unterbodenstruktur (16) aufweisen, welches mit den oberen Endbereichen der A-Säulen (10, 10') fest verbunden und ausgelegt ist, den im Crashfall nicht bereits durch die zweiten Strukturelemente (20, 20', 21, 21', 22, 22', 23, 24, 24') abgebauten Teil der in die A-Säulen (10, 10') eingeleiteten Stoßenergie in die mit dem Fahrzeugkopf verbundene Wagenkastenstruktur des Schienenfahrzeuges zu übertragen.
  7. Fahrzeugkopf nach Anspruch 5 oder 6,
    wobei die Seitenstreben (12, 12') und/oder die A-Säulen (10, 10') aus einem aus Faserverbundwerkstoff gebildeten Hohlprofil bestehen, in welchem zur Erhöhung der Steifigkeit der Seitenstreben (12, 12') bzw. der A-Säulen (10, 10') vorzugsweise ein Stützstoff, insbesondere Stützschaum aufgenommen ist; und/oder
    wobei die Dachstruktur (11) in Sandwichbauweise aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellt ist.
  8. Fahrzeugkopf nach einem der Ansprüche 5 bis 7,
    wobei die ersten Strukturelemente (10, 10', 11, 12, 12', 14, 15, 16) ein Brüstungselement (14) aufweisen, welches zur strukturellen Verbindung der beiden A-Säulen (10, 10') den jeweils unteren Bereich der beiden A-Säulen (10, 10') miteinander verbindet; und
    wobei die ersten Strukturelemente (10, 10', 11, 12, 12', 14, 15, 16) vorzugsweise ferner eine verformungssteife Stirnwand (15) aufweisen, welche derart mit dem Brüstungselement (14) verbunden ist, dass eine Stirnfläche des Rahmens (100) ausgebildet wird, um den in der selbsttragenden Rahmenstruktur aufgenommenen Fahrzeugführerstand (101) im Crashfall vor Intrusionen zu schützen, wobei die Stirnwand (15) vorzugsweise aus verschiedenen Faserverbundkomponenten, insbesondere GFK, Aramid, Dyneema und/oder CFK, gefertigt ist.
  9. Fahrzeugkopf nach Anspruch 8,
    wobei die zweiten Strukturelemente (20, 20', 21, 21', 22, 22', 23, 24, 24') mindestens ein aus Faserverbund-/Faserverbund-Sandwich-Werkstoff gebildetes erstes Energieverzehrelement (20, 20') aufweisen, wobei das mindestens eine erste Energieverzehrelement (20, 20') ausgelegt ist, bei Überschreiten einer kritischen Stoßkraft anzusprechen und zumindest einen Teil der bei der Stoßkraftübertragung anfallenden und in das erste Energieverzehrelement (20, 20') eingeleiteten Stoßenergie durch nicht-duktile Zerstörung von zumindest einem Teil der Faserstruktur des ersten Energieverzehrelementes (20, 20') abzubauen, und wobei an der Stirnseite des Brüstungselementes (14) das mindestens eine erste Energieverzehrelement (20, 20') angeordnet ist.
  10. Fahrzeugkopf nach einem der Ansprüche 5 bis 9,
    wobei die zweiten Strukturelemente (20, 20', 21, 21', 22, 22', 23, 24, 24') mindestens ein aus Faserverbundwerkstoff gebildetes zweites Energieverzehrelement (21, 21') aufweisen, wobei das mindestens eine zweite Energieverzehrelement (21, 21') ausgelegt ist, bei Überschreiten einer kritischen Stoßkraft anzusprechen und zumindest einen Teil der bei der Stoßkraftübertragung anfallenden und in das zweite Energieverzehrelement (21, 21') eingeleiteten Stoßenergie durch nicht-duktile Zerstörung von zumindest einem Teil der Faserstruktur des zweiten Energieverzehrelementes (21, 21') abzubauen, und wobei an jeder der Stirnseite des Fahrzeugkopfes zugewandten Flächen der A-Säulen (10, 10') jeweils mindestens ein zweites Energieverzehrelement (21, 21') angeordnet ist.
  11. Fahrzeugkopf nach Anspruch 9 oder 10,
    wobei die Energieverzehrelemente (20, 20'; 21, 21') mit den ersten Strukturelementen (10, 10', 14) vorzugsweise stoffschlüssig fest verbunden, insbesondere verklebt sind.
  12. Fahrzeugkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    wobei ferner eine aus Faserverbund-/Faserverbund-Sandwich-Werkstoff ausgebildete Unterbodenstruktur (16) vorgesehen ist, welche mit zumindest einem Teil der ersten Strukturelemente (10, 10', 11, 12, 12', 14, 15, 16) derart verbunden ist, dass der Boden des Fahrzeugführerstandes (101) gebildet wird; und
    wobei die Unterbodenstruktur (16) ein aus Faserverbundwerkstoff gebildetes oberes Flächenelement (16a) und ein hiervon beabstandetes, aus Faserverbundwerkstoff gebildetes unteres Flächenelement (16b) sowie aus Faserverbundwerkstoff gebildete Streben (16c) aufweist, welche das obere und untere Flächenelement (16a, 16b) fest miteinander verbinden; und/oder wobei die zweiten Strukturelemente (20, 20', 21, 21', 22, 22', 23, 24, 24') mindestens ein drittes Energieverzehrelement (22, 22') aufweisen, welches in der Unterbodenstruktur (16) aufgenommen und ausgelegt ist, bei Überschreiten einer vorab festlegbaren kritischen Stoßkraft anzusprechen und zumindest einen Teil der bei der Stoßkraftübertragung anfallenden und in das dritte Energieverzehrelement (22, 22') eingeleiteten Stoßenergie durch nicht-duktile Zerstörung von zumindest einem Teil der Faserstruktur des dritten Energieverzehrelementes (22, 22') abzubauen.
  13. Fahrzeugkopf nach Anspruch 12,
    wobei ferner eine Mittelpufferkupplung (30) vorgesehen ist, welche über ein Lagerbock (31) an der Unterbodenstruktur (16) angelenkt ist, und wobei die zweiten Strukturelemente (20, 20', 21, 21', 22, 22', 23, 24, 24') mindestens ein viertes Energieverzehrelement (23) aufweisen, welches in der Unterbodenstruktur (16) in Stoßrichtung hinter dem Lagerbock (31) angeordnet und ausgelegt ist, bei Überschreiten einer vorab festlegbaren kritischen Stoßkraft anzusprechen und zumindest einen Teil der bei der Stoßkraftübertragung anfallenden und in das vierte Energieverzehrelement (23) eingeleiteten Stoßenergie durch nicht-duktile Zerstörung von zumindest einem Teil der Faserstruktur des vierten Energieverzehrelementes (23) abzubauen.
  14. Fahrzeugkopf nach Anspruch 12 oder 13,
    wobei das dritte und/oder vierte Energieverzehrelement (22, 22'; 23) jeweils ein aus Faserverbundwerkstoff gebildetes Führungsrohr (60) und ein als Kolben oder Stempel ausgebildetes Druckrohr (62) aufweisen/aufweist, wobei das Druckrohr (62) mit dem Führungsrohr (60) derart zusammenwirkt, dass sich bei Überschreiten einer kritischen, in das Energieverzehrelement (22, 22'; 23) eingeleiteten Stoßkraft das Druckrohr (62) und das Führungsrohr (60) relativ zueinander unter gleichzeitigem Verzehr von zumindest einem Teil der in das Energieverzehrelement (22, 22'; 23) eingeleiteten Stoßenergie aufeinander zu bewegen, wobei der Führungsrohr (60) mindestens einen Energieverzehrbereich (61) aus Faserverbundwerkstoff aufweist, welcher bei der Bewegung des Druckrohres (62) relativ zu dem Führungsrohr (60) zumindest teilweise nichtduktil zerfasert wird.
  15. Fahrzeugkopf nach Anspruch 14,
    wobei das Druckrohr (62) als ein an seiner dem Führungsrohr (60) zugewandten Stirnseite offener Hohlkörper ausgebildet ist derart, dass die bei der Bewegung des Druckrohres (62) relativ zu dem Führungsrohr (60) entstehenden Bruchteile des aus Faserverbundwerkstoff gebildeten Energieverzehrbereiches (61) zumindest teilweise im Inneren des Druckrohres (62) aufnehmbar sind.
  16. Fahrzeugkopf nach Anspruch 14 oder 15,
    wobei die bei einer Bewegung des Druckrohres (62) relativ zu dem Führungsrohr (60) nicht-duktil zerfaserte Länge des Energieverzehrbereiches (61) von der Wegstrecke der Relativbewegung zwischen dem Druckrohr (62) und dem Führungsrohr (60) abhängt.
  17. Fahrzeugkopf nach einem der Ansprüche 14 bis 16,
    wobei der dem Führungsrohr (60) zugewandte Bereich des als Kolben oder Stempel ausgebildeten Druckrohres (62) von dem Führungsrohr (60) teleskopartig aufgenommen ist derart, dass die Stirnseite des dem Führungsrohr (60) zugewandten Bereiches des Druckrohres (62) an einen Anschlag (63) des Energieverzehrbereiches (61) anstößt; und
    wobei zumindest die Stirnseite des Druckrohres (62) vorzugsweise eine im Vergleich zu dem Energieverzehrbereich (61) höhere Festigkeit aufweist; und/oder wobei an der Stirnseite des Druckrohres (62) vorzugsweise ein Kegelring (64) vorgesehen ist, der an den Anschlag (63) des Energieverzehrbereiches (61) anstößt.
  18. Fahrzeugkopf nach Anspruch 17,
    wobei der Führungsrohr (60) einen Innendurchmesser aufweist, der größer als der Außendurchmesser des Druckrohres (62) ist, so dass der dem Führungsrohr (60) zugewandte Bereich des Druckrohres (62) teleskopartig von dem Führungsrohr (60) aufnehmbar ist.
  19. Fahrzeugkopf nach Anspruch 18,
    wobei das Führungsrohr (60) und der Energieverzehrbereich (61) einstückig aus Faserverbundwerkstoff gebildet sind; und
    wobei der aus Faserverbundwerkstoff gebildete Energieverzehrbereich (61) im Inneren des Führungsrohres (60) vorzugsweise derart angeordnet ist, dass die Stirnseite des Druckrohres (62) an eine dem Druckrohr (62) zugewandte Stirnseite des Energieverzehrbereiches (61) anstößt.
  20. Fahrzeugkopf nach einem der Ansprüche 12 bis 19,
    wobei mindestens eine Führungsfläche vorgesehen ist zum Führen der Bewegung des Druckrohres (62) relativ zu dem Führungsrohr (60).
  21. Fahrzeugkopf nach einem der Ansprüche 12 bis 20,
    wobei das Führungsrohr (60) vollständig aus Faserverbundwerkstoff gebildet ist; und/oder
    wobei das Druckrohr (62) vorzugsweise vollständig aus Faserverbundwerkstoff gebildet ist.
  22. Fahrzeugkopf nach einem der Ansprüche 12 bis 21,
    wobei das Ansprechverhalten des Energieverzehrelementes (22, 22'; 23) und/oder der Betrag der mit dem Energieverzehrelement (22, 22'; 23) insgesamt verzehrbaren Stoßenergie durch geeignete Wahl der Wandstärke und/oder Festigkeit des Energieverzehrbereiches sowie die konstruktive Gestaltung des Anschlags (63) vorab einstellbar ist.
  23. Fahrzeugkopf nach einem der Ansprüche 12 bis 22,
    wobei ein aus Faserverbund-/Faserverbund-Sandwich-Werkstoff gebildeter Unterfahrschutz bzw. Bahnräumer (24) vorgesehen ist, welcher an der Unterseite der Unterbodenstruktur (16) befestigt und ausgelegt ist, bei Überschreiten einer in den Unterfahrschutz bzw. Bahnräumer (24) eingeleiteten kritischen Stoßkraft durch kontrollierte Verformung zumindest einen Teil der bei der Stoßkraftübertragung anfallenden Stoßenergie abzubauen; oder
    wobei ein aus Faserverbund-/Faserverbund-Sandwich-Werkstoff gebildeter Unterfahrschutz bzw. Bahnräumer (24) vorgesehen ist, welcher über mindestens eine Führungsschiene (17) mit der Unterseite der Unterbodenstruktur (16) derart verbunden ist, dass der Unterfahrschutz bzw. Bahnräumer (24) nach Überschreiten einer in den Unterfahrschutz bzw. Bahnräumer (24) eingeleiteten kritischen Stoßkraft relativ zu der Unterbodenstruktur (16) in Fahrzeuglängsrichtung verschiebbar ist, wobei ferner aus Faserverbundwerkstoff gebildete Energieverzehrelemente (25, 25', 26) vorgesehen sind, die derart angeordnet und ausgelegt sind, dass bei einer Verschiebung des Unterfahrschutzes bzw. Bahnräumers (24) relativ zu der Unterbodenstruktur (16) der Faserverbundwerkstoff der Energieverzehrelemente (25, 25', 26) unter gleichzeitigem Abbau von zumindest einem Teil der bei der Stoßkraftübertragung in den Unterfahrschutz bzw. Bahnräumer (24) eingeleiteten Stoßenergie nicht-duktil zerstört wird.
  24. Fahrzeugkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    wobei die ersten Strukturelemente (10, 10', 11, 12, 12', 14, 15, 16) vorzugsweise stoffschlüssig miteinander fest verbunden, insbesondere verklebt sind.
  25. Fahrzeugkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    wobei eine Frontscheibe vorgesehen ist, die zumindest teilweise an der selbsttragenden Struktur des Fahrzeugkopfes (100) befestigt ist, wobei die Frontscheibe mindestens ein inneres und mindestens ein äußeres durchsichtiges Flächenelement aufweist, die beabstandet voneinander unter Ausbildung eines Zwischenraumes angeordnet sind, wobei sich in dem Zwischenraum ein durchsichtiges Energieverzehrelement, insbesondere ein durchsichtiger Energieabsorptionsschaum befindet und/oder wobei sich in einem Randbereich des mindestens einen äußeren und des mindestens einen inneren Flächenelementes in dem Zwischenraum ein weniger durchsichtiges Energieverzehrelement, insbesondere ein Energieabsorptionsschaum befindet; und
    wobei das mindestens eine äußere durchsichtige Flächenelement und/oder das mindestens eine innere durchsichtige Flächenelement vorzugsweise eine Vielzahl von durchsichtigen Flächenelementen aufweist, die beabstandet voneinander unter Ausbildung einer Vielzahl von Zwischenräumen angeordnet sind, wobei sich in der Vielzahl von Zwischenräumen zumindest in einem Randbereich jeweils ein Verbindungselement, insbesondere ein durchsichtiger Energieabsorptionsschaum befindet.
  26. Spurgeführtes Fahrzeug, insbesondere Schienenfahrzeug, welches einen an seiner Stirnseite befestigten Fahrzeugkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 25 aufweist.
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