EP4069569B1 - Anordnung zur erhöhung der belastbarkeit eines strukturbauteils eines schienenfahrzeugs - Google Patents

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EP4069569B1
EP4069569B1 EP20824105.9A EP20824105A EP4069569B1 EP 4069569 B1 EP4069569 B1 EP 4069569B1 EP 20824105 A EP20824105 A EP 20824105A EP 4069569 B1 EP4069569 B1 EP 4069569B1
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    • B61F1/00—Underframes
    • B61F1/08—Details
    • B61F1/14—Attaching or supporting vehicle body-structure

Definitions

  • the invention relates to an arrangement for increasing the load capacity of a structural component of a rail vehicle, in particular the tensile rigidity and the compressive rigidity.
  • structural component of a rail vehicle is understood to mean, for example, but not exclusively, a locomotive body, a car body, a frame, for example a compressed air scaffold frame, or a spatial structure in which rail vehicle components are mounted or held. It also includes roof structures that are designed to transfer loads and are used for this purpose.
  • a locomotive body is a design for the supporting structure of a locomotive, which is designed in various construction methods.
  • the locomotive body can be designed in a frame construction, in which non-load-bearing attachments are attached to a load-bearing frame.
  • locomotive body is the integral all-steel construction.
  • extruded profiles are used that extend over the entire length of the box.
  • the rigidity of the box is achieved by the structure of the extruded profiles. No additional load-bearing elements are required, making lightweight construction possible.
  • non-load-bearing panels are attached to a load-bearing box frame made of metallic materials.
  • these are made of non-metallic materials.
  • double traction i.e. driving with two locomotives
  • multiple traction i.e. driving with more than two locomotives
  • FIG 3 shows a locomotive body LOK3 as a structural component as a known state of the art.
  • the locomotive body LOK3 acts as the first load path LPF1, the first load path LPF1 being implemented in particular by a frame RAH of the locomotive body LOK3.
  • a component is known in which a vertical deformation of the component is counteracted with the help of a horizontally extending, pre-stressed tension wire.
  • the invention relates to an arrangement for increasing the load capacity of a structural component of a rail vehicle.
  • the structural component has a first connection point and a second connection point.
  • a first load path is arranged between the two connection points. A force acting at the first connection point is transmitted to the second connection point via the first load path.
  • the first load path is designed to transmit compressive forces, is optimized in this respect and is mainly used for this purpose.
  • a second load path is arranged between the two connection points.
  • the two load paths of the structural component act parallel to each other, but are functionally separated.
  • the second load path is designed to transmit tensile forces, is optimized in this respect and is mainly used for this purpose.
  • the first load path is pressure-resistant or designed as a pressure-resistant construction.
  • this is a frame made of metal or steel, which is an integrated part of the structural component.
  • the first load path which is designed to be rigid, is not deformed or is deformed only minimally, i.e. within predetermined and tolerable limits.
  • the second load path contains tension elements whose compressive stiffness is significantly smaller in relation to the first load path or in which the tension elements are designed without compressive stiffness.
  • the tension elements are designed as ropes, which are preferably made of Kevlar or carbon fiber.
  • the second load path is deformed within predetermined and tolerable limits.
  • the first load path is relieved of tensile forces and can be reduced in size or can absorb higher compressive forces while maintaining the same dimensions.
  • a decisive advantage is that higher forces can be transmitted with the same weight of the locomotive body.
  • the first load path consists of elements of the classically designed locomotive body - according to the invention from the frame of the locomotive body. This can be optimized in terms of weight and pressure transmission.
  • the present invention enables a lower dimensioning of the structural component in terms of weight and at the same time increases long-term stability.
  • the present invention provides or implements respective optimized load paths for the forces and the mutual loads that act on the structural component. This means that higher forces can be permanently transmitted without the structural component failing.
  • the present invention allows higher forces to be transmitted while maintaining the same design of the structural component. This is made possible by the respective, optimized load paths.
  • FIG 1 shows the invention based on a basic representation of a locomotive body LOK1 of a rail vehicle.
  • a tensile force FZ acts on the locomotive body LOK1 at a first connection point ASP1.
  • a compressive force FD alternates with the tensile force FZ at the first connection point ASP1 on the locomotive body LOK1.
  • the locomotive body LOK1 transmits the tensile force FZ and the compressive force FD from the first connection point ASP1 to a second connection point ASP2 via the load paths LPF1, LPF2 described below.
  • the two load paths LPF1, LPF2 are separate in terms of their functionality, but work in addition or parallel to one another.
  • the first load path LPF1 is designed as a pressure-resistant construction. As stated above, this is, for example, a frame RAH made of metal or steel, which is an integrated part of the structural component or the locomotive body LOK1.
  • the second load path LPF2 contains tension elements without compressive stiffness.
  • the tension elements are designed, for example, as ropes, which in turn are preferably made of Kevlar or carbon fiber.
  • the tensile force FZ acting on the locomotive body LOK1 is transmitted by the tensile elements or cables of the second load path LPF2 between the two connection points ASP1, ASP2. This occurs with less deformation of the tension elements.
  • FIG 2 shows with reference to FIG 1 a concretized representation of the invention.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erhöhung der Belastbarkeit eines Strukturbauteils eines Schienenfahrzeugs, insbesondere der Zugsteifigkeit und der Drucksteifigkeit.
  • Unter der Bezeichnung Strukturbauteil eines Schienenfahrzeugs werden beispielsweise, jedoch nicht abschließend, ein Lokomotivkasten, ein Wagenkasten, ein Rahmen, beispielswiese ein Druckluftgerüst-Rahmen, oder auch eine räumliche Struktur verstanden, in dem Schienenfahrzeug-Komponenten montiert bzw. gehaltert sind. Ebenfalls werden darunter Dachstrukturen verstanden, die zur Übertragung von Belastungen ausgebildet sind und dafür benutzt werden.
  • Als Lokomotivkasten wird ein Aufbau einer Tragstruktur einer Lokomotive bezeichnet, der in verschiedenen Bauweisen ausgeführt wird.
  • Der Lokomotivkasten kann in Rahmenbauweise ausgeführt werden, bei der an einen tragenden Rahmen nicht tragende Anbauten angebracht werden.
  • Als weiter Bauform des Lokomotivkastens ist die integrale Ganzstahlbauweise bekannt.
  • Bei Eisenbahnwagen und Wagen eines Triebzugs wird ein entsprechendes Bauteil als Wagenkasten bezeichnet.
  • Für Wagenkästen unterscheidet man folgende Bauweisen:
    Bei der sogenannten Differenzial- oder Rohkastenbauweise wird zunächst ein tragendes Stahl- oder Aluminiumskelett erstellt, auf das anschließend nichttragende Bleche zur Beplankung angebracht werden.
  • Bei der sogenannten Integralbauweise werden Strangpressprofile eingesetzt, die sich über die gesamte Länge des Kastens erstrecken. Die Steifigkeit des Kastens wird bei durch die Struktur der Strangpressprofile erreicht. Es werden keine zusätzlichen, tragenden Elemente benötigt, eine Leichtbauweise wird dadurch ermöglicht.
  • Bei der sogenannten Verbundbauweise, die der Differenzialbauweise ähnelt, werden auf ein tragendes Kasten-Gerüst aus metallischen Werkstoffen nicht-tragende Verkleidungen angebracht. Diese bestehen jedoch im Gegensatz zur Differenzialbauweise aus nicht-metallischen Werkstoffen.
  • In jüngerer Vergangenheit werden die Kästen zunehmend nach Sicherheitsaspekten bei Unfällen optimiert.
  • Das Strukturbauteil wird dabei derart dimensioniert, dass das Strukturbauteil auf das Strukturbauteil wirkende, oft wechselnden Belastungen langzeitstabil standhält.
  • Unter diesen Belastungen werden insbesondere Zugkräfte und Druckkräfte verstanden.
  • Es ist üblich, für unterschiedliche Einsatzgebiete eines Strukturbauteils jeweilige Lösungen zu entwickeln, um das Strukturbauteil mit Blick auf die wechselnden Belastungen langzeitstabil zu dimensionieren.
  • So wird beispielsweise ein Lokomotivkasten in Abhängigkeit davon dimensioniert, ob die zugehörige Lokomotive im schweren Güterzugdienst oder im Personenverkehr eingesetzt werden soll.
  • Dies steht jedoch einem Ziel einer "Universallokomotive" entgegen, deren Kasten-Bauart zumindest teilweise oder komplett unabhängig vom beabsichtigten Einsatzzweck der Lokomotive sein soll.
  • Bei Lokomotiven ist besonders die Doppeltraktion, d.h. das Fahren mit zwei Lokomotiven, und die Mehrfachtraktion, d.h. das Fahren mit mehr als zwei Lokomotiven, kritisch für die Festigkeit des Lokomotivkastens.
  • In diesen Fällen wirken hohe Zug- bzw. Druckkräfte, die einander abwechseln, auf einen betrachteten Lokomotivkasten. Die von den Lokomotiven zu übertragende Kraft variiert. Für einen Lokomotivverband, der einen Zug anführt, gilt, dass die am Wagenverband angekoppelte Lokomotive die maximalsten Kräfte ertragen muss, während die Lokomotive, die den Zug anführt die geringsten Kräfte ertragen muss.
  • Um diesen Kräften langzeitstabil zu begegnen, werden Lokomotivkästen in ihrer Bauweise mechanisch entsprechend massiv dimensioniert bzw. vom verwendeten Material her entsprechend massiv ausgestaltet.
  • Dies führt jedoch zu Gewichtsproblemen, insbesondere bei Mehrsystemlokomotiven, die für einen länderübergreifenden Betrieb ausgebildet sind.
  • FIG 3 zeigt als bekannten Stand der Technik einen Lokomotivkasten LOK3 als Strukturbauteil.
  • Eine Zugkraft FZ wirkt an einem ersten Anschlusspunkten ASP1 auf den Lokomotivkasten LOK3.
  • Eine Druckkraft FD wirkt wechselweise zur Zugkraft FZ auf den Lokomotivkasten LOK3, ebenfalls am ersten Anschlusspunkt ASP1.
  • Der Lokomotivkasten LOK3 ist mit Blick auf Struktur, Material und Gewicht massiv ausgestaltet und überträgt die Zugkraft FZ bzw. die Druckkraft FD zu einem zweiten Anschlusspunkt ASP2.
  • Durch die Ausgestaltung wirkt der Lokomotivkasten LOK3 als erster Lastpfad LPF1, wobei der erste Lastpfad LPF1 insbesondere durch einen Rahmen RAH des Lokomotivkastens LOK3 realisiert ist.
  • Beide Kräfte FZ, FD werden zwischen den Anschlusspunkten ASP1, ASP2 über den ersten Lastpfad LPF1 durch den Lokomotivkasten LOK3 übertragen.
  • Beim Lokomotivkasten LOK3 bildet beispielsweise eine Kombination aus Zughaken und Puffern der zugehörigen Lokomotive den jeweiligen Anschlusspunkt ASP1 bzw. ASP2.
  • Aus Druckschrift DE 855 658 B ist ein Bauelement bekannt, bei dem mit Hilfe eines waagrecht verlaufenden, vorgespannten Spanndrahts einer vertikal erfolgenden Verformung des Bauelements entgegengewirkt wird.
  • Eine ähnliche Lösung schildert Druckschrift FR 2 697 099 A1 , bei der mit Hilfe eines Sensors eine benötigte Vorspannkraft ermittelt und mit Hilfe einer Kabelspannbuchse eingestellt wird.
  • Aus Druckschrift DE 100 53 125 A1 ist ein modular aufgebauter Wagenkasten bekannt, dessen Module käfigartig ausgebildet und mit Hilfe von Drahtseilen aufgereiht und verbunden sind.
  • Aus Druckschrift WO 2019/166378 A2 ist ein Wagenkasten für ein Schienenfahrzeug bekannt, bei dem zwischen Punkten des Wagenkastens Zugmittel angeordnet sind, um niederfrequente Frequenzen unterhalb des menschlichen Hörbereichs in ihrer Ausbreitung zu verhindern.
  • Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anordnung zur Erhöhung der Belastbarkeit eines Strukturbauteils eines Schienenfahrzeugs anzugeben, mit der die oben genannten Probleme mit Blick auf das Gewicht und auf die Langzeitstabilität des Strukturbauteils minimiert werden.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
  • Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erhöhung der Belastbarkeit eines Strukturbauteils eines Schienenfahrzeugs.
  • Das Strukturbauteil weist einen ersten Anschlusspunkt und einen zweiten Anschlusspunkt auf.
  • Zwischen den beiden Anschlusspunkten ist ein erster Lastpfad angeordnet. Eine am ersten Anschlusspunkt wirkende Kraft wird über den ersten Lastpfad zum zweiten Anschlusspunkt übertragen.
  • Der erste Lastpfad ist zur Übertragung von Druckkräften ausgebildet, ist in dieser Hinsicht optimiert und wird dafür auch hauptsächlich verwendet.
  • Zusätzlich zum ersten Lastpfad ist zwischen den beiden Anschlusspunkten ein zweiter Lastpfad angeordnet.
  • Die beiden Lastpfade des Strukturbauteils wirken parallel zueinander, sind jedoch funktional getrennt.
  • Der zweite Lastpfad ist zur Übertragung von Zugkräften ausgebildet, ist in dieser Hinsicht optimiert und wird dafür auch hauptsächlich verwendet.
  • Diese Teilung der Kraftübertragung wird durch unterschiedliche Steifigkeiten der beiden Lastpfade erreicht.
  • Der erste Lastpfad ist drucksteif bzw. als drucksteife Konstruktion ausgebildet. Beispielsweise handelt es sich dabei um einen aus Metall bzw. aus Stahl gefertigten Rahmen, der integrierter Bestandteil des Strukturbauteils ist.
  • Bei der Übertragung der Druckkraft, die einen vorbestimmten Wert aufweist, wird der drucksteif ausgebildete, erste Lastpfad nicht bzw. lediglich minimal, d.h. innerhalb vorgegebener und tolerierbarer Grenzen, verformt.
  • Der zweite Lastpfad beinhaltet Zugelemente, deren Drucksteifigkeit in Bezug zum ersten Lastpfad deutlich kleiner ist bzw. bei dem die Zugelemente ohne Drucksteifigkeit ausgebildet sind.
  • Die Zugelemente sind erfindungsgemäß als Seile ausgebildet, die bevorzugt aus Kevlar oder aus Kohlefaser gefertigt sind. Bei der Übertragung der Zugkraft, die einen vorbestimmten Wert aufweist, wird der zweite Lastpfad innerhalb vorgegebener und tolerierbarer Grenzen verformt.
  • Aufgrund der minimierten bzw. fehlenden Drucksteifigkeit beim zweiten Lastpfad werden hier lediglich vernachlässigbare bzw. keine Druckkräfte übertragen.
  • Damit wird der erste Lastpfad von Zugkräften entlastet und kann in seiner Dimensionierung reduziert werden bzw. kann bei gleichbleibender Dimensionierung höhere Druckkräfte aufnehmen.
  • Ein entscheidender Vorteil ist, dass bei gleichem Gewicht des Lokomotivkastens höhere Kräfte übertragbar sind.
  • Bei einem Lokomotivkasten als Strukturbauteil besteht der erste Lastpfad aus Elementen des klassisch auskonstruierten Lokomotivkastens - erfindungsgemäß aus dem Rahmen des Lokomotivkastens. Dieser ist hinsichtlich Gewicht und Druckkraft-Übertragung optimierbar.
  • Beim Lokomotivkasten bildet erfindungsgemäß eine Kombination aus Zughaken und Puffern der zugehörigen Lokomotive den jeweiligen Anschlusspunkt, über den die Kräfte auf den Lokomotivkasten wirken bzw. in den Lokomotivkasten eingeleitet werden.
  • Durch die vorliegende Erfindung wird eine geringere Dimensionierung des Strukturbauteils hinsichtlich des Gewichts ermöglicht und gleichzeitig die Langzeitstabilität erhöht.
  • Durch die vorliegende Erfindung werden für die Kräfte und für die wechselseitigen Belastungen, die auf das Strukturbauteil wirken, jeweilige optimierte Lastpfade zur Verfügung gestellt bzw. implementiert. Dadurch können dauerhaft höhere Kräfte übertragen werden, ohne dass ein Versagen des Strukturbauteils eintritt.
  • Durch die vorliegende Erfindung können bei einer gleichbleibenden Ausgestaltung des Strukturbauteils höhere Kräfte übertragen werden. Dies wird durch die jeweiligen, optimierten lastpfade ermöglicht.
  • Durch die Optimierung und die mögliche Gewichteinsparung werden neue Konstruktionskonzepte eröffnet, die hinsichtlich der Fertigungskosten optimiert sind und die zusätzlich eine größere Einsatzvielfalt eines Strukturbauteils erlauben. Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung beispielhaft anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
    • FIG 1
    die Erfindung anhand einer prinzipiellen Darstellung eines Lokomotivkastens eines Schienenfahrzeugs,
    FIG 2
    mit Bezug auf FIG 1 eine konkretisierte Darstellung der Erfindung, und
    FIG 3
    den in der Einleitung beschriebenen, vorbekannten Stand der Technik.
  • FIG 1 zeigt die Erfindung anhand einer prinzipiellen Darstellung eines Lokomotivkastens LOK1 eines Schienenfahrzeugs.
  • Eine Zugkraft FZ wirkt an einem ersten Anschlusspunkten ASP1 auf den Lokomotivkasten LOK1.
  • Entsprechend wirkt eine Druckkraft FD im Wechsel zur Zugkraft FZ am ersten Anschlusspunkten ASP1 auf den Lokomotivkasten LOK1.
  • Der Lokomotivkasten LOK1 überträgt über nachfolgend beschriebene Lastpfade LPF1, LPF2 die Zugkraft FZ und die Druckkraft FD vom ersten Anschlusspunkt ASP1 zu einem zweiten Anschlusspunkt ASP2.
  • Die Druckkraft FD wird über einen ersten Lastpfad LPF1, der zwischen den beiden Anschlusspunkten ASP1, ASP2 angeordnet ist, übertragen.
  • Die Zugkraft FZ wird über einen zweiten Lastpfad LPF2, der zwischen den beiden Anschlusspunkten ASP1, ASP2 angeordnet ist, übertragen.
  • Die beiden Lastpfade LPF1, LPF2 sind von ihrer Funktionalität her getrennt, wirken jedoch ergänzend bzw. parallel zueinander.
  • Die Teilung der beschriebenen Kraftübertragung wird durch unterschiedliche Steifigkeiten der beiden Lastpfade LPF1, LPF2 erreicht.
  • Der erste Lastpfad LPF1 ist als drucksteife Konstruktion ausgebildet. Wie vorstehend ausgeführt handelt es sich beispielsweise dabei um einen aus Metall bzw. aus Stahl gefertigten Rahmen RAH, der integrierter Bestandteil des Strukturbauteils bzw. des Lokomotivkastens LOK1 ist.
  • Damit ist der erste Lastpfad LPF1 zur Übertragung von Drucckräften optimiert und ausgebildet und wird dafür entsprechend hauptsächlich benutzt.
  • Der zweite Lastpfad LPF2 beinhaltet Zugelemente ohne Drucksteifigkeit. Die Zugelemente sind beispielsweise als Seile ausgebildet, die wiederum bevorzugt aus Kevlar oder aus Kohlefaser gefertigt sind.
  • Damit ist der zweite Lastpfad LPF2 zur Übertragung von Zugkräften optimiert und ausgebildet und wird dafür entsprechend ausschließlich benutzt.
  • Die auf den Lokomotivkasten LOK1 wirkende Zugkraft FZ wird durch die Zugelemente bzw. Seile des zweiten Lastpfads LPF2 zwischen den beiden Anschlusspunkten ASP1, ASP2 übertragen. Dies erfolgt mit geringerer Verformung der Zugelemente.
  • Die auf den Lokomotivkasten LOK1 wirkende Druckkraft FD wird durch den drucksteif ausgebildeten ersten Lastpfad LPF1 zwischen den beiden Anschlusspunkten ASP1, ASP2 übertragen. Dies erfolgt ohne Verformung der beteiligten Elemente, hier des Rahmens RAH, des Lokomotivkastens LOK1.
  • Beim Lokomotivkasten LOK1 bildet beispielsweise eine Kombination aus Zughaken und Puffer der zugehörigen Lokomotive den ersten Anschlusspunkt ASP1 bzw. den Anschlusspunkt ASP2.
  • FIG 2 zeigt mit Bezug auf FIG 1 eine konkretisierte Darstellung der Erfindung.
  • In der hier gezeigten Ausgestaltung sind die Seile des zweiten Lastpfads LPF2 im Lokomotivkasten LOK1 aus konstruktiven Gründen an einigen Punkten umgelenkt. Dies wird durch die geknickte Form des zweiten Lastpfads LPF2 symbolisiert.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung werden zusätzliche Zugkräfte in den zweiten Lastpfad LPF2 eingeleitet, z.B. über entsprechende Verbindungspunkte von Zugstangen, Zugdruckstangen oder Drehzapfen mit dem zweiten Lastpfad LPF2.

Claims (2)

  1. Anordnung zur Erhöhung der Belastbarkeit eines Strukturbauteils (LOK1) eines Schienenfahrzeugs,
    - bei der das Strukturbauteil (LOK1) einen ersten Anschlusspunkt (ASP1) und einen zweiten Anschlusspunkt (ASP2) aufweist, wobei eine am ersten Anschlusspunkt (ASP1) wirkende Zugkraft (FZ) oder eine am ersten Anschlusspunkt wirkende Druckkraft (FD) zum zweiten Anschlusspunkt (ASP2) übertragen wird,
    - bei der zwischen dem ersten Anschlusspunkt (ASP1) und dem zweiten Anschlusspunkt (ASP2) ein erster Lastpfad (LPF1) angeordnet ist, der zur Übertragung der Drucckraft (FD) ausgebildet ist,
    - bei der zwischen dem ersten Anschlusspunkt (ASP1) und dem zweiten Anschlusspunkt (ASP2) ein zweiter Lastpfad (LPF2) angeordnet ist, der zur Übertragung der Zugkraft (FZ) ausgebildet ist,
    - wobei die beiden Lastpfade parallel zueinander wirken, jedoch funktional getrennt sind,
    - bei der der erste Lastpfad (LPF1) und der zweite Lastpfad (LPF2) unterschiedliche Drucksteifigkeiten aufweisen, so dass eine Teilung der Kraftübertragung durch die unterschiedlichen Drucksteifigkeiten erreicht wird,
    - bei der der erste Lastpfad (LPF1) drucksteif ausgebildet ist,
    - bei der das Strukturbauteil als Lokomotivkasten (LOK1) ausgebildet ist, wobei der erste Lastpfad (LPF1) aus einem Rahmen (RAH) des Lokomotivkastens (LOK1) besteht, wobei der Rahmen (RAH) integrierter Bestandteil des Lokomotivkastens (LOK1) ist,
    - bei der beim Lokomotivkasten eine Kombination aus Zughaken und Puffern einer zugehörigen Lokomotive den jeweiligen Anschlusspunkt bildet, über den die Kräfte auf den Lokomotivkasten wirken,
    - bei der der zweite Lastpfad (LPF2) durch Seile als Zugelemente ohne Drucksteifigkeit realisiert ist.
  2. Anordnung nach Anspruch 1, bei der die Seile aus Kevlar oder aus Kohlefaser gefertigt sind.
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