EP2694347A1 - Schienenfahrzeug mit angesetzter verformungszone - Google Patents

Schienenfahrzeug mit angesetzter verformungszone

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EP2694347A1
EP2694347A1 EP12713652.1A EP12713652A EP2694347A1 EP 2694347 A1 EP2694347 A1 EP 2694347A1 EP 12713652 A EP12713652 A EP 12713652A EP 2694347 A1 EP2694347 A1 EP 2694347A1
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EP
European Patent Office
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deformation
rail vehicle
cross member
deformation zone
eqt
Prior art date
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EP12713652.1A
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English (en)
French (fr)
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EP2694347B1 (de
Inventor
Philipp HEINZL
Richard Graf
Markus Seitzberger
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Siemens AG Oesterreich
Original Assignee
Siemens AG Oesterreich
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Publication date
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Publication of EP2694347A1 publication Critical patent/EP2694347A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP2694347B1 publication Critical patent/EP2694347B1/de
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Anticipated expiration legal-status Critical

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61D—BODY DETAILS OR KINDS OF RAILWAY VEHICLES
    • B61D15/00—Other railway vehicles, e.g. scaffold cars; Adaptations of vehicles for use on railways
    • B61D15/06—Buffer cars; Arrangements or construction of railway vehicles for protecting them in case of collisions
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61D—BODY DETAILS OR KINDS OF RAILWAY VEHICLES
    • 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

Definitions

  • the invention relates to a rail vehicle with a
  • Approval standards for rail vehicles require, among other things, the proof of certain strength values of the car body. These standards require, for example, proof that the rail vehicle can withstand a certain longitudinal force (clutch pressure, buffer pressure, pressure on end cross member) without damage.
  • the standard UIC-566 which is valid for Europe, requires a proof of the clutch pressure of
  • the survival spaces in the vehicle must not be deformed too much to the injury probability for the Persons in the vehicle, especially for the driver at the beginning of the train to reduce. This is
  • crash modules for receiving the deformation energy.
  • the invention is therefore based on the object
  • Front cross member and at least one force transmission element comprises and wherein between the end cross member and the
  • the at least one force transmission element is arranged, which longitudinal pressure forces between the
  • End cross member and the front cross member transmits plastically deformation-free up to a certain value and at
  • Rail vehicle comprises inclined columns, which are arranged between the front cross member and a corner pillar and which act on the front cross member acting vertical forces
  • a further development of the invention provides for arranging at least one deformation element in the deformation zone such that it does not interfere with the transmission of operating loads
  • the power transmission element and optionally the
  • Slanted columns of the deformation zone according to the invention are to be designed so that they have a sufficient strength to all operating and testing forces safely between the
  • Power transmission element is that it is dimensioned so that once the failure load is exceeded, this power transmission element collapses or fails so that it no longer provides significant resistance to further deformation.
  • This behavior can be achieved, for example, by the fact that strength-giving components buckle in case of failure, since a much lower force is required for a buckling deformation than for a compression or tension deformation.
  • Connection type which fails at a defined overload, e.g. an overlapping connection with
  • the force transmission element it is advisable to design the force transmission element by a substantially X-shaped arrangement of plates, wherein the force is applied via respective opposite sides of this X-shaped plate assembly. It is essential that the cutting line of the plates across the
  • One embodiment of the force transmission element provides for the individual plates, which form the essentially X-shaped force transmission element, to be connected to each
  • the power transmission element as a combined
  • a deformation zone according to the invention can in principle be provided on all common rail vehicle types.
  • locomotives and freight cars are regarded as geometrically incompatible accident opponents.
  • Deforming elements are used, in particular those of tubular profiles. Likewise are
  • Deformation elements of an aluminum honeycomb construction or a metal foam can be used.
  • This invention is especially good for
  • Fig.l A rail vehicle with vertical end of the car according to the prior art - side view.
  • Fig.2 A rail vehicle with scheduled deformation zone - side view.
  • Fig.3 A rail vehicle with attached deformation zone supervision.
  • Fig. A power transmission element in side view.
  • Fig.5 A rail vehicle with attached deformation zone and inner deformation element - side view.
  • FIG. 1 shows, by way of example and schematically, a rail vehicle with vertical carriage ends according to the prior art in a side view. It is a vehicle end of one Rail vehicle shown, which has at its end an end cross member EQT.
  • this end cross member EQT attack the longitudinal forces, this end cross member EQT is dimensioned accordingly and optionally with fastening means for receiving
  • corner posts ES Perpendicular to this end cross member EQT corner posts ES are provided, which extend from the end cross member EQT to the roof of the rail vehicle.
  • the panel V serves essentially conventional protection and design purposes and has none in a crash
  • a rail vehicle according to Fig.l has no significant energy dissipating properties in a collision act on the high forces
  • FIG. 2 shows an example and schematically a rail vehicle with attached deformation zone in a side view.
  • the deformation zone VZ according to the invention is mounted on the front side of the rail vehicle and comprises a
  • Power transmission element KUE which between a
  • End cross member EQT and a front cross member FQT is arranged, wherein the front cross member FQT parallel to the
  • End cross member EQT is arranged spaced in the direction of the car end. Furthermore, oblique columns SS are provided, which connect the front cross member with a corner column ES. These components of the fouling zone VZ (front cross member FQT, power transmission element KUE and inclined column SS)
  • An inclined column SS can also comprise vertical sections.
  • the force transmission element KUE has a force-displacement diagram as shown in FIG.
  • the deformation zone VZ includes deformation elements VE, which are arranged on the end sides of the corner pillars ES and which under load a force-displacement diagram as
  • FIG. 6 shows by way of example in FIG. 6, that is to say they are suitable for energy dissipation in the plastic deformation case.
  • deformation elements VE are arranged so that they do not participate in the transmission of static loads and only after the collapse or failure of the
  • Force transmission element KUE come into effect. Furthermore, the deformation elements VE come into effect in the event of a collision with a geometrically incompatible collision opponent.
  • FIG. 3 shows an example and schematically a rail vehicle with attached deformation zone in a plan view with a force transmission element. It is the rail vehicle of Figure 2 shown.
  • four vertically arranged, connected to the end cross member EQT columns are provided. Two of these four pillars, the corner pillars ES are on the outside of the wagon of the end cross member EQT
  • the collision columns KS are spaced from the corner pillars ES in the direction of the car center.
  • the oblique columns SS extend between the front cross member FQT and in each case a collision column KS.
  • a central passage between the two inclined columns SS is easy to realiseren.
  • the space is suitable behind the Enqueris EQT, in particular between a corner pillar ES and a Collision column KS good for the arrangement of a
  • the panel V can form oblique, rounded or vertical vehicle ends.
  • Fig. Shows an example and schematically a
  • a power transmission element KUE which has an end cross member EQT with a front cross member FQT
  • This power transmission element KUE has a force-displacement relationship, as shown in FIG. To achieve such a force - distance relationship, it is particularly advantageous to construct the force transmission element KUE from x-shaped plates and the intersection of the x-shaped plates of the
  • FIG. 5 shows an example and schematically a rail vehicle with attached deformation zone and inner
  • This inner deformation element IVE is dimensioned so that it only after the failure of the
  • Deformation elements VE in extreme cases only late or not deformed.
  • FIG. 6 shows by way of example and schematically an idealized force-displacement diagram of a deformation element. It is an idealized force - displacement diagram of a typical
  • the horizontal axis represents the deformation path x
  • the vertical axis represents that on the
  • the force F shows a strongly rising section and a subsequent horizontal deformation on further deformation.
  • the area of this horizontal section, in which a further deformation x occurs at constant force F, represents the area essential for the energy dissipation. If the design-dictated maximum deformation path is used up, then the deformation element VE is complete
  • FIG. 7 shows, by way of example and schematically, an idealized force-displacement diagram of a force transmission element. It is a force - way diagram of a typical
  • the horizontal axis represents the deformation path x
  • the vertical axis represents the force F acting on the force transmission element KUE
  • Force transmission element KUE on the one hand to transmit a certain maximum force safely, but when exceeding this maximum force (possibly by a
  • FIG. 8 shows a crash computer simulation in FIG
  • FIG. 9 shows a collision computer simulation in FIG.
  • the power transmission elements KUE are still dimensionally stable.
  • FIG. 10 shows a crash computer simulation in FIG.
  • FIG. 11 shows a collision computer simulation in FIG.
  • Deformation elements VE are completely consumed, it forms strong deformation of the corner columns ES.
  • FIG. 12 shows a crash computer simulation in FIG.
  • FIG. 13 shows a crash computer simulation in FIG.
  • Skew view, level 1 - undeformed The scenario from FIG. 8 is shown in an oblique view and cut longitudinally in the middle.
  • FIG. 14 shows a collision computer simulation in FIG.
  • FIG. 15 shows a collision computer simulation in FIG.
  • FIG. 16 shows a collision computer simulation in FIG.
  • FIG. 17 shows a collision computer simulation in FIG.

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Abstract

Schienenfahrzeug mit angesetzter Verformungszone, umfassend wenigstens einen in einem stirnseitigen Bereich vorgesehenen Endquerträger (EQT) und im Wesentlichen senkrecht angeordnete, von dem Endquerträger (EQT) ausgehende Ecksäulen (ES), wobei eine Verformungszone (VZ) stirnseitig vorgesehen ist, welche einen parallel zu dem Endquerträger (EQT) in stirnseitiger Richtung beabstandet angeordneten Frontquerträger (FQT) und mindestens ein Kraftübertragungselement (KUE) umfasst, wobei zwischen dem Endquerträger (EQT) und dem Frontquerträger (FQT) das mindestens eine Kraftübertragungselement (KUE) angeordnet ist, welches Längsdruckkräfte zwischen dem Endquerträger (EQT) und dem Frontquerträger (FQT) bis zu einem bestimmten Wert plastisch verformungsfrei überträgt und bei Überschreiten dieses bestimmten Werts versagt.

Description

Beschreibung
Schienenfahrzeug mit angesetzter Verformungszone
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Schienenfahrzeug mit einer
angesetzten Verformungszone .
Stand der Technik
Zulassungnormen für Schienenfahrzeuge fordern unter anderem den Nachweis bestimmter Festigkeitswerte des Wagenkastens. Diese Normen fordern beispielsweise den Nachweis, dass das Schienenfahrzeug einer bestimmten Längskraft (Kupplungsdruck, Pufferdruck, Druck auf Endquerträger) beschädigungsfrei widerstehen kann. Die für Europa gültige Norm UIC-566 fordert beispielsweise einen nachzuweisenden Kupplungsdruck von
2000kN, die für die USA gültige Norm fordert 3558kN (800kip) . Gleichzeitig wird sehr oft gefordert, zur Steigerung der passiven Sicherheit der Passagiere, ein optimiertes
Verformungsverhalten bei einem Zusammenstoß zu gewährleisten.
Dazu sind konstruktive Maßnahmen vorzusehen, welche es erlauben, die Aufprallenergie so aufzunehmen, dass definiert verformbare Knautschzonen diese Energie in Verformungsenergie wandeln und dabei die Belastungen für die Personen im
Fahrzeug reduzieren.
Ebenso dürfen die Überlebensräume im Fahrzeug nicht zu stark verformt werden, um die Verletzungswahrscheinlichkeit für die Personen im Fahrzeug, insbesondere auch für das am Zuganfang befindliche Fahrpersonal, zu reduzieren. Dies ist
insbesondere für Zugverbände mit Schublokomotiven bzw.
Triebzüge von Bedeutung.
Gemäß dem Stand der Technik können Schienenfahrzeuge leicht auf bestimmte Kupplungs- bzw. Endquerträgerdrücke
dimensioniert werden. Ebenso gelingt es, geeignete
Crashmodule zur Aufnahme der Verformungsenergie vorzusehen. Eine Kombination der Forderungen nach einem hohen statischen Kupplungs- bzw. Endquerträgerdruck und nach einem
Crashverhalten, welches die maximale Verzögerung des
Fahrzeuges und damit auch die Belastungen der Fahrgäste im Crashfall reduzieren kann, ist für strukturell integrierte Verformungszonen noch nicht zufriedenstellend gelöst.
Eine weitere Komplikation bei der Lösung dieser
widersprüchlichen Forderung besteht in der Forderung nach senkrechten Wagenenden auch am Zuganfang und am Zugende, was besonders in den USA bevorzugt gewünscht wird. Dabei ist das Fahrpersonal besonderen Gefahren ausgesetzt, da nur sehr eingeschränkt Bauraum für Crashelemente zur Verfügung steht. Eine Lösung gemäß dem Stand der Technik sieht vor, den
Fahrerstand in Form einer steifen Zelle auszuführen, welche bei einem Zusammenstoß in das Fahrzeuginnere verschoben wird. Eine Reduzierung der Beschleunigung, die auf die im
Fahrerstand befindlichen Personen wirkt, kann dadurch aber nicht erzielt werden. Eine weitere Schwierigkeit für eine verformungsoptimierte Konstruktion liegt in dem in den USA häufigen Mischbetrieb aus Personen- und Güterverkehr auch auf Nahverkehrstrecken, sodass als Kollisionsgegner eine Vielzahl an Fahrzeugen in Betracht kommt. Erschwerend ist dabei, das Güterwaggons und besonders die in den USA gebräuchlichen Lokomotiven praktisch keine energiedissipierenden
Eigenschaften aufweisen. Diese Lokomotiven müssen durch ihren massiven Aufbau als praktisch starr angesehen werden und stellen außerdem in aller Regel auf Grund ihrer größeren Bauhöhe geometrisch völlig inkompatible Kollisionsgegner für Waggons dar.
Einerseits dürfen die statischen Auslegungs- und Prüflasten zu keiner plastischen Verformung der Bauteile, insbesondere der Crashelemente führen, was zwangsläufig zu sehr steifen Untergestellkonstruktionen führt. Andererseits sollen im Crashfall speziell zum Energieabbau vorgesehene Crashelemente zusammen mit der an sich steifen Untergestellkonstruktion auch bei Zusammenstößen mit geometrisch inkompatiblen
Unfallgegnern gezielt plastisch deformieren. Als geometrisch inkompatibel werden Kollisionsgegner angesehen, bei welchen ein Auftreffen an nicht für den Kollisionsfall vorgesehenen Stellen auftritt. Beispielsweise bei einem auf das
Untergestell bezogen vertikal nach oben versetzten Aufprall, wie er bei einer Kollision eines Passagierwagens mit einer Lokomotive oder einem Güterwagen auftreten kann. Dies ist mit den Lösungen gemäß dem Stand der Technik nur sehr
unzureichend möglich.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein
Schienenfahrzeug mit angesetzter Verformungszone anzugeben, welches einerseits sehr hohen axialen Druckkräften
widerstehen kann, andererseits ein gutes Verformungsverhalten bei Unfällen insbesondere auch mit geometrisch inkompatiblen Gegnern aufweist und besonders für die Ausbildung senkrechter Wagenenden vorgesehen ist. Die Aufgabe wird durch ein Schienenfahrzeug mit angesetzter Verformungszone mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand untergeordneter Ansprüche .
Dem Grundgedanken der Erfindung nach wird ein
Schienenfahrzeug mit angesetzter Verformungszone beschrieben, welches wenigstens einen in einem stirnseitigen Bereich vorgesehenen Endquerträger und im Wesentlichen senkrecht angeordnete, von dem Endquerträger ausgehende Ecksäulen umfasst, und wobei eine Verformungszone stirnseitig
vorgesehen ist, welche einen parallel zu dem Endquerträger in stirnseitiger Richtung beabstandet angeordneten
Frontquerträger und mindestens ein Kraftübertragungselement umfasst und wobei zwischen dem Endquerträger und dem
Frontquerträger das mindestens eine Kraftübertragungselement angeordnet ist, welches Längsdruckkräfte zwischen dem
Endquerträger und dem Frontquerträger bis zu einem bestimmten Wert plastisch verformungsfrei überträgt und bei
Überschreiten dieses bestimmten Werts kollabiert oder
versagt .
Eine vorteilhafte Fortbildung des erfindungsgemäßen
Schienenfahrzeugs umfasst Schrägsäulen, welche zwischen dem Frontquerträger und einer Ecksäule angeordnet sind und welche die auf den Frontquerträger wirkenden Vertikalkräfte
übertragen und in die Fahrzeugstruktur einleiten.
Eine weitere Fortbildung der Erfindung sieht vor, mindestens ein Verformungselement in der Verformungszone so anzuordnen, dass es an der Übertragung von Betriebslasten nicht
teilnimmt, aber bei einem Zusammenstoß nach dem Kollabieren oder Versagen des Kraftübertragungselements in Wirkung tritt und die kinetische Energie des Zusamenstoßes wenigstens teilweise dissipiert.
Dadurch ist der Vorteil erzielbar, ein Schienenfahrzeug realisieren zu können, welches bestimmten Längskräften
(Kupplungsdruck, Pufferdruck, Endquerträgerdruck) sicher zu widerstehen vermag, andererseits ein energiedissipierendes Verformungsverhalten aufweist, welches die auf die Passagiere wirkenden Kräfte bei einem Zusammenstoß vermindert.
Das Kraftübertragungselement und gegebenenfalls die
Schrägsäulen der erfindungsgemäßen Verformungszone sind so auszulegen, dass sie eine hinreichende Festigkeit aufweisen, um alle Betriebs- und Prüfkräfte sicher zwischen dem
Frontquerträger und dem Endquerträger bzw. der Ecksäulen übertragen zu können. Die wesentliche Eigenschaft des
Kraftübertragungselements ist, dass es so dimensioniert ist, dass, sobald die Versagenslast überschritten ist, dieses Kraftübertragungselement so kollabiert oder versagt, dass es der weiteren Verformung keinen wesentlichen Widerstand mehr entgegenstellt .
Dieses Verhalten kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass festigkeitsgebende Bauteile im Versagensfall ausknicken, da für eine Knickverformung eine wesentlich niedrigere Kraft erforderlich ist als für eine Druck- oder Zugverformung.
Ebenso lässt sich ein gleichwertiges Verhalten auch dadurch erreichen, dass festigkeitsgebende Bauteile mit einer
Verbindungsart verbunden sind, welche bei einer definierten Überlast versagt, z.B. eine überlappende Verbindung mit
Nieten, die bei einer bestimmten Auslegungslast abscheren. Dadurch nimmt das Kraftübertragungselement nach seinem
Versagen an der darauffolgenden Energiedissipation nur mehr gering oder gar nicht teil. Diese Energiedissipation kann daher in den dafür vorgesehenen Verformungselementen
erfolgen .
Es empfiehlt sich, das Kraftübertragungselement durch eine im Wesentlichen X-förmige Anordnung von Platten zu gestalten, wobei die Krafteinbringung über jeweils gegenüberliegende Seiten dieser X-förmigen Plattenanordnung erfolgt. Es ist wesentlich, dass die Schnittlinie der Platten quer zur
Kraftrichtung angeordnet ist, da solcherart ein sicheres Ausknicken der Platten erfolgt. Die Anordnung der
Schnittlinie in Kraftrichtung würde hingegen zu einem Bauteil führen, dessen Kraft - Weg Diagramm bei plastischer
Verformung über den gesamten Verformungsweg ein sehr hohes
Kraftniveau aufweist und für gegenständliche Erfindung nicht als Kraftübertragungselement eingesetzt werden kann.
Tritt der Fall ein, dass ein geometrisch inkompatibler
Unfallgegner zuerst auf die Schrägsäulen und das
Verformungselement trifft, reagiert die X-förmige Anordnung von Platten ausreichend empfindlich und kollabiert durch die stark außermittige Belastung, die durch die anzunehmende darauf folgende plastische Verformung der Schrägsäulen auch eher verformungsgetriebenen Charakter hat, sodass auch in einem solchen Fall das Kraftübertragungselement nur noch äußerst gering an der Energiedissipation teilnimmt.
Eine Aus führungs form des Kraftübertragungselements sieht vor, die einzelnen Platten, welche das im Wesentlichen X-förmige Kraftübertragungselement bilden, mit jeweils
unterschiedlicher Dicke auszuführen. Dadurch ist der Vorteil erzielbar, die Versagenslast und die Richtung des Ausknickens der Platten genau einstellen zu können. Eine solche Anordnung kann mit computerunterstützer Simulation in Bezug auf ihre Festigkeit (Versagenslast) sowie ihres plastisches
Verformungsverhalten gut ausgelegt werden.
Weiters ist es empfehlenswert, eine Platte dieser X-förmigen Anordnung einstückig und mit einer größeren Dicke auszuführen als die beiden anderen Platten. Dadurch kann die
Versagenslast genauer eingestellt werden.
Weiters ist es vorteilhaft, diese X-förmige Anordnung von Platten aus mehreren, insbesondere aus drei Platten
zusammenzusetzen. Solcherart können die Versagenslast und das Knickverhalten besonders genau eingestellt werden.
Es ist empfehlenswert, die Platten an der Schnittlinie der Platten zu verbinden, wobei eine Schweißverbindung besonders vorteilhaft ist. Als weitere vorteilhafte Ausgestaltungsvariante ist es auch möglich, das Kraftübertragungselement als kombiniertes
Kraftübertragungs- und Energieabsorptionselement auszuführen, welches nach Überschreiten einer definierten Versagenslast durch Deformation Energie dissipiert.
Dies kann auf mehrere Arten erfolgen, die dem Stand der
Technik im Schienenfahrzeugbau entsprechen. Als konkrete mögliche Aus führungs formen seien hier röhrenförmige
Crashelemente erwähnt, die bei Überschreiten einer
Spitzenkraft progressiv beulen,
formschlüssig gehaltene festigkeitsgebende Bauteile, die bei Überschreiten einer Auslösekraft durch den Formschluss spanend bearbeitet werden
sowie röhrenförmige Crashelemente, die nach Überschreiten einer Auslösekraft aufgeweitet, verengt oder abgeschält werden .
Mit der hier dargestellten Erfindung gelingt es, ein
Schienenfahrzeug mit einer Verformungszone anzugeben, deren Festigkeitsauslegung für statische Lasten und die
Crashtauglichkeitsauslegung für Unfalllasten (mit großen plastischen Verformungen) praktisch und im Wesentlichen getrennt durchführbar ist und die auch für Kollisionen mit geometrisch inkompatiblen Unfallgegnern und insbesondere auch für Fahrzeuge mit vertikalen Wagenenden mit Türöffnung geeignet ist. Eine erfindungsgemäße Verformungszone kann aber prinzipiell an allen gebräuchlichen Schienenfahrzeugtypen vorgesehen werden. Als geometrisch inkompatible Unfallgegner werden insbesondere Lokomotiven und Güterwaggons angesehen.
Als Verformungselement können alle gebräuchlichen
Verformungselemente eingesetzt werden, insbesondere auch solche aus röhrenförmigen Profilen. Ebenso sind
Verformungselemente aus einer Aluminiumwabenkonstruktion oder aus einem Metallschaum einsetzbar.
Gegenständliche Erfindung ist besonders gut für
Schienenfahrzeuge geeignet, welche in den USA zugelassen werden sollen, da die relevanten Normen das Einbringen der Prüflängskräfte über die Endquerträger vorsehen und somit keine an das Wagenende aufgesetzten Verformungselemente vorgesehen werden können, da diese den Prüfkräften nicht widerstehen können. Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Es zeigen beispielhaft:
Fig.l Ein Schienenfahrzeug mit senkrechtem Wagenende gemäß dem Stand der Technik - Seitenansicht.
Fig.2 Ein Schienenfahrzeug mit angesetzer Verformungszone - Seitenansicht .
Fig.3 Ein Schienenfahrzeug mit angesetzter Verformungszone Aufsicht .
Fig. Ein Kraftübertragungselement in Seitenansicht.
Fig.5 Ein Schienenfahrzeug mit angesetzter Verformungszone und innerem Verformungselement - Seitenansicht.
Fig.6 Ein idealisiertes Kraft - Weg Diagramm eines
Verformungselements .
Fig.7 Ein idealisiertes Kraft - Weg Diagramm eines
Kraftübertragungselements .
Fig. 8 Zusammenstoß Computersimulation - - Seitenansicht 1
Fig. 9 Zusammenstoß Computersimulation - - Seitenansicht 2
Fig. 10 Zusammenstoß ComputerSimulation - Seitenansicht 3
Fig. 11 Zusammenstoß ComputerSimulation - Seitenansicht 4.
Fig. 12 Zusammenstoß ComputerSimulation - Seitenansicht 5.
Fig. 13 Zusammenstoß ComputerSimulation - Schrägansicht 1.
Fig. 14 Zusammenstoß ComputerSimulation - Schrägansicht 2.
Fig. 15 Zusammenstoß ComputerSimulation - Schrägansicht 3.
Fig. 16 Zusammenstoß ComputerSimulation - Schrägansicht 4.
Fig. 17 Zusammenstoß ComputerSimulation - Schrägansicht 5.
Ausführung der Erfindung Fig.l zeigt beispielhaft und schematisch ein Schienenfahrzeug mit senkrechten Wagenenden gemäß dem Stand der Technik in einer Seitenansicht. Es ist ein Fahrzeugende eines Schienenfahrzeugs dargestellt, welches an seinem Ende einen Endquerträger EQT aufweist.
An diesen Endquerträger EQT greifen die Längskräfte an, dazu ist dieser Endquerträger EQT entsprechend dimensioniert und gegebenenfalls mit Befestigungsmitteln zur Aufnahme von
Puffern, Kupplungen, etc ausgestattet.
Senkrecht zu diesem Endquerträger EQT sind Ecksäulen ES vorgesehen, welche sich vom Endquerträger EQT bis zum Dach des Schienenfahrzeugs erstrecken.
Die Verkleidung V dient im Wesentlichen üblichen Schutz- und Designzwecken und weist keine bei einem Zusammenstoß
relevante Festigkeit auf. Ein Schienenfahrzeug gemäß Fig.l weist keine wesentlichen energedissipierenden Eigenschaften auf, bei einem Zusammstoß wirken hohe Kräfte auf die
Passagiere.
Fig.2 zeigt beispielhaft und schematisch ein Schienenfahrzeug mit angesetzter Verformungszone in einer Seitenansicht.
Es ist das Prinzip einer erfindungsgemäßen Verformungszone dargestellt, wobei das Schienenfahrzeug wie in dem in Fig.l gezeigten Beispiel zum Stand der Technik aufgebaut ist.
Die erfindungsgemäße Verformungszone VZ ist stirnseitig auf das Schienenfahrzeug aufgesetzt und umfasst ein
Kraftübertragungselement KUE, welches zwischen einem
Endquerträger EQT und einem Frontquerträger FQT angeordnet ist, wobei der Frontquerträger FQT parallel zu dem
Endquerträger EQT in Richtung des Wagenendes beabstandet angeordnet ist. Weiters sind Schrägsäulen SS vorgesehen, welche den Frontquerträger mit einer Ecksäule ES verbinden. Diese Bauteile der Verfomungszone VZ (Frontquerträger FQT, Kraftübertragungselement KUE und Schrägsäule SS)
sind so gestaltet bzw. dimensioniert, dass diese alle
Betriebs- und Prüfkräfte sicher zwischen dem Endquerträger EQT bzw. den Ecksäulen ES bzw. Kollisionssäulen KS und dem Frontquerträger FQT übertragen.
Eine Schrägsäule SS kann auch vertikale Abschnitte umfassen. Das Kraftübertragungselement KUE weist bei Belastung ein Kraft-Weg Diagramm wie in Fig.7 dargestellt auf.
Weiters umfasst die Verformungszone VZ Verformungselemente VE, welche stirnseitig an den Ecksäulen ES angeordnet sind und welche bei Belastung ein Kraft-Weg Diagramm wie
exemplarisch in Fig.6 dargestellt aufweisen, sich also zur Energiedissipation im plastischen Verformungsfall eignen.
Diese Verformungselemente VE sind so angeordnet, dass sie an der Übertragung statischer Lasten nicht teilnehmen und erst nach dem Kollabieren oder Versagen des
Kraftübertragungselements KUE in Wirkung geraten. Weiters geraten die Verformungselemente VE bei einem Zusammenstoß mit einem geometrisch inkompatiblen Kollisionsgegner in Wirkung.
Fig.3 zeigt beispielhaft und schematisch ein Schienenfahrzeug mit angesetzter Verformungszone in einer Aufsicht mit einem Kraftübertragungselement. Es ist das Schienenfahrzeug aus Fig.2 dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel sind vier senkrecht angeordnete, mit dem Endquerträger EQT verbundene Säulen vorgesehen. Zwei dieser vier Säulen, die Ecksäulen ES sind an der Wagenaußenseite des Endquerträgers EQT
angeordnet, zwei weitere Säulen, die Kollisionssäulen KS sind von den Ecksäulen ES in Richtung der Wagenmitte beabstandet angeordnet. Die Schrägsäulen SS erstrecken sich zwischen dem Frontquerträger FQT und jeweils einer Kollisionssäule KS. Eine solche Bauweise entspricht dem in den USA häufig
gewünschten Fahrzeugtyp, ein mittiger Durchgang zwischen den beiden Schrägsäulen SS ist einfach zu realiseren.
Ebenso eignet sich der Raum hinter dem Enquerträger EQT, insbesondere zwischen einer Ecksäule ES und einer Kollisionssäule KS gut für die Anordnung eines
kollisionsgeschützten Fahrerstandes. Je nach gewünschter Fahrzeugf orm kann die Verkleidung V schräge, gerundete oder vertikale Fahrzeugenden formen.
Fig. zeigt beispielhaft und schematisch ein
Kraftübertragungselement in Seitenansicht.
Es ist ein Kraftübertragungselement KUE dargestellt, welches einen Endquerträger EQT mit einem Frontquerträger FQT
verbindet. Dieses Kraftübertragungselement KUE weist einen Kraft - Weg Zusammenhang auf, wie er in Fig.7 dargestellt ist. Zur Erzielung eines solchen Kraft - Weg Zusammenhangs ist es besonders vorteilhaft, das Kraftübertragungselement KUE aus x-förmig angeordneten Platten aufzubauen und die Schnittlinie der x-förmig angeordneten Platten des
Kraftübertragungselements KUE quer zur Fahrzeuglängsrichtung anzuordnen. Durch diese Anordnung ist die Berechnung der Versagenslast gut möglich und diese Anordnung stellt nach dem Kollabieren bei Überschreitung der Versagenslast der weiteren Verformung nur einen sehr geringen Widerstand entgegen.
Fig.5 zeigt beispielhaft und schematisch ein Schienenfahrzeug mit angesetzter Verformungszone und innerem
Verformungselement in einer Seitenansicht.
Es ist eine Fortbildung eines erfindungsgemäßen
Schienenfahrzeugs mit angesetzter Verformungszone VZ, wie im Fig.2 und 3 gezeigt, dargestellt. Ein inneres
Verformungselement IVE ist wagenmittig eines Endquerträgers angeordnet und unterstützt das vorteilhafte
Verformungsverhalten eines erfindungsgemäßen
Schienenfahrzeugs. Dieses innere Verformungselement IVE ist so dimensioniert, dass es erst nach dem Versagen des
Kraftübertragungselements KUE und nach dem Aufzehren des Verformungselements VE in Wirkung tritt. Ebenso verbessert das innere Verformungselement IVE das Verformungsverhalten des Schienenfahrzeugs bei Kollisionen mit geometrisch
inkompatiblen Kollosionsgegnern, insbesondere bei der
Kollision mit flachen Güterwagen, bei welchen die
Verformungselemente VE in Extremfällen nur verspätet oder gar nicht verformt werden.
Fig.6 zeigt beispielhaft und schematisch ein idealisiertes Kraft - Weg Diagramm eines Verformungselements. Es ist ein idealisiertes Kraft - Weg Diagramm eines typischen
Verformungselements VE bei plastischer Verformung
dargestellt. Die waagrechte Achse stellt den Verformungsweg x dar, die senkrechte Achse stellt die auf das
Verformungselement VE wirkende Kraft F dar. Der Verlauf der Kraft F zeigt einen stark ansteigenden Abschnitt und einen bei weiterer Verformung anschließenden waagrechten Abschnitt auf. Der Bereich dieses waagrechten Abschnitts, bei welchem eine weitere Verformung x bei konstanter Kraft F auftritt, stellt den für die Energiedissipation wesentlichen Bereich dar. Ist der konstruktiv vorgegebene maximale Verformungsweg aufgebraucht, das Verformungselement VE also komplett
gestaucht, tritt ein sehr steiler Kraftanstieg auf und das Verformungselement VE weist keine wesentliche
energiedissipierende Wirkung mehr auf.
Fig.7 zeigt beispielhaft und schematisch ein idealisiertes Kraft - Weg Diagramm eines Kraftübertragungselements. Es ist ein Kraft - Weg Diagramm eines typischen
Kraftübertragungselements KUE bei plastischer Verformung bzw. Instabilität dargestellt. Die waagrechte Achse stellt den Verformungsweg x dar, die senkrechte Achse stellt die auf das Kraftübertragungselement KUE wirkende Kraft F dar. Im
Gegensatz zu dem in Fig.6 gezeigten Kraft - Weg Diagramm eines Verformungselements VE zeigt der Kraft-Weg Verlauf eines Kraftübertragungselements KUE nach einem steilen
Kraftanstieg bei beginnender Verformung bis zu einem
maximalen Wert der Kraft F keinen anschließenden waagrechten Kraftverlauf. Die wesentliche Eigenschaft eines
Kraftübertragungselements KUE, einerseits eine bestimmte maximale Kraft sicher übertragen zu können, aber bei einem Überschreiten dieser maximalen Kraft (ggf. um einen
bestimmten Sicherheitsfaktor erhöht) zu versagen und der weiteren Verformung keinen wesentlichen Widerstand mehr entgegenzusetzen, ist in Fig.7 dargestellt. Nach dem
Überschreiten einer bestimmten maximalen Kraft F erfolgt die weitere Verformung bei einem wesentlich niedrigeren, im
Verhältnis zur maximalen Kraft F praktisch vernachlässigbaren Kraftniveau. Erst wenn der konstruktiv vorgegebene maximale Verformungsweg aufgebraucht ist, das Kraftübertragungselement KUE also komplett gestaucht ist, tritt ein sehr steiler
Kraftanstieg auf.
Fig.8 zeigt eine Zusammenstoß-Computersimulation in
Seitenansicht, Stufe 1 - unverformt.
Es ist eine Simulation der Kollision eines Schienenfahrzeugs mit angesetzter Verformungszone wie in Fig.5 gezeigt mit einer Lokomotive L dargestellt. Die Lokomotive L stellt einen massiven, im Wesentlichen unverformbaren und geometrisch inkompatiblen Kollisionsgegner dar. Die Schrägsäulen SS weisen senkrechte Abschnitte auf. Die Lokomotive L trifft auf einem Punkt oberhalb des Frontquerträgers FQT auf, sodass die plastische Verformung an dieser Stelle beginnt. Dieses Ausführungsbeispiel zeigt ein anderes Kraftübertragungslement KUE als in Fig.4 dargestellt.
Fig.9 zeigt eine Zusammenstoß-Computersimulation in
Seitenansicht, Stufe 2 - erste Verformungen. Zur
Verdeutlichung der Abläufe des Verfomungsvorgangs sind in den Fig.9 bis 12 alle Bezugszeichen entfallen. Die Verkleidung V stellt einer Verformung keinen nennenswerten Widerstand entgegen und ist bereits bei diesem geringen Verformungsweg zerstört. Die Schrägsäulen SS sind durch die Krafteinleitung an der Berührungsstelle mit der Lokomotive L teilweise gerade gerichtet, die Verformungselemente VE zeigen erste
Verformungen und dissipieren die Verformungsenergie. Die Kraftübertragungselemente KUE sind noch formstabil.
Fig.10 zeigt eine Zusammenstoß-Computersimulation in
Seitenansicht, Stufe 3 - starke Verfomungen. Durch die fortschreitende Verformung sind die Schrägsäulen SS gerade gerichtet und die dahinterliegenden Verformungselemente VE fast komprimiert. Bei dieser Verformungsstufe sind die
Kraftübertragungselemente KUE bereits kollabiert, es zeigen sich erste Verformungen der Ecksäulen ES.
Fig.11 zeigt eine Zusammenstoß-Computersimulation in
Seitenansicht, Stufe 4 - sehr starke Verformungen. Die
Verformungselemente VE sind vollständig aufgezehrt, es bilden sich starke Verformungen der Ecksäulen ES.
Fig.12 zeigt eine Zusammenstoß-Computersimulation in
Seitenansicht, Stufe 5 - extreme Verformungen. In dieser Stufe sind die Ecksäulen stark in Richtung des Wageninneren gebogen, das innere Verformungselement hat angesprochen und ist aufgezehrt. Fig.13 zeigt eine Zusammenstoß-Computersimulation in
Schrägansicht, Stufe 1 - unverformt. Es ist das Szenario aus Fig.8 in einer Schrägansicht und in Längsrichtung mittig geschnitten dargestellt.
Fig.14 zeigt eine Zusammenstoß-Computersimulation in
Schrägansicht, Stufe 2- erste Verformungen.
Schrägansicht des in Fig.9 dargestellten Szenarios
Fig.15 zeigt eine Zusammenstoß-Computersimulation in
Schrägansicht, Stufe 3- starke Verfomungen.
Schrägansicht des in Fig.10 dargestellten Szenarios Fig.16 zeigt eine Zusammenstoß-Computersimulation in
Schrägansicht, Stufe 4- sehr starke Verformungen.
Schrägansicht des in Fig.11 dargestellten Szenarios
Fig.17 zeigt eine Zusammenstoß-Computersimulation in
Schrägansicht, Stufe 5- extreme Verformungen.
Schrägansicht des in Fig.12 dargestellten Szenarios
Liste der Bezeichnungen
EQT Endquerträger
ES Ecksäule
V Verkleidung
VZ Verformungs zone
FQT Frontque träger
SS Schrägsäule
VE Verformungselement
KUE Kraftübertragungselement
KS Kollisionssäule
IVE Inneres Verformungselement
F Kraft
X Verformungsweg
L Lokomotive

Claims

Patentansprüche
Schienenfahrzeug mit angesetzter Verformungszone, umfassend wenigstens einen in einem stirnseitigen
Bereich vorgesehenen Endquerträger (EQT) und im
Wesentlichen senkrecht angeordnete, von dem
Endquerträger (EQT) ausgehende Endsäulen (ES), dadurch gekennzeichnet, dass eine Verformungszone (VZ)
stirnseitig vorgesehen ist, welche einen parallel zu dem Endquerträger (EQT) in stirnseitiger Richtung beabstandet angeordneten Frontquerträger (FQT) und mindestens ein Kraftübertragungselement (KUE) umfasst, wobei zwischen dem Endquerträger (EQT) und dem
Frontquerträger (FQT) das mindestens eine
Kraftübertragungselement (KUE) angeordnet ist, welches Längsdruckkräfte zwischen dem Endquerträger (EQT) und dem Frontquerträger (FQT) bis zu einem bestimmten Wert plastisch verformungsfrei überträgt und bei
Überschreiten dieses bestimmten Werts versagt und welches aus aus x-förmig angeordneten Platten aufgebaut ist und wobei die Schnittlinie der x-förmig
angeordneten Platten des Kraftübertragungselements (KUE) quer zur Fahrzeuglängsrichtung angeordnet ist.
Schienenfahrzeug mit angesetzter Verformungszone gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Verformungselement (VE) vorgesehen ist, welches so angeordnet ist, dass die Verformung des mindestens einen Verformungselements (VE) erst nach dem Versagen des Kraftübertragungselements (KUE) eintritt.
Schienenfahrzeug mit angesetzter Verformungszone gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Schrägsäule (SS) zwischen dem
Frontquerträger (FQT) und einer Ecksäule (ES)
angeordnet ist.
Schienenfahrzeug mit angesetzter Verformungszone gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Untergestell des Schienenfahrzeugs zwischen der Wagenmitte und einem Endquerträger (EQT) mit mindestens einem inneren Verformungselement (IVE) ausgestattet ist.
5. Schienenfahrzeug mit Verformungszone gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass eine Verkleidung (V) vorgesehen ist, welche die Bauteile der Verformungszone (VZ) verkleidet.
6. Schienenfahrzeug mit Verformungszone gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verkleidung (V) aus einem Kunststoff gefertigt ist .
7. Schienenfahrzeug mit Verformungszone gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Verformungselement (VE) oder das mindestens eine innere Verformungselement (IVE) als Aluminiumwabenkonstruktion ausgeführt ist.
Schienenfahrzeug mit Verformungszone gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Verformungselement (VE) oder das mindestens eine innere Verformungselement (IVE) aus Metallschaum ausgeführt ist.
9. Schienenfahrzeug mit Verformungszone gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Verformungselement (VE) oder das mindestens eine innere Verformungselement (IVE) als rohrförmiges Profil ausgeführt ist.
10. Schienenfahrzeug mit Verformungszone gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die
Verformungszone (VZ) an beiden Stirnseiten des Schienenfahrzeugs vorgesehen ist.
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