WO2002064412A1 - Fahrzeugkopf - Google Patents

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WO2002064412A1
WO2002064412A1 PCT/EP2002/001354 EP0201354W WO02064412A1 WO 2002064412 A1 WO2002064412 A1 WO 2002064412A1 EP 0201354 W EP0201354 W EP 0201354W WO 02064412 A1 WO02064412 A1 WO 02064412A1
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WO
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vehicle head
tip
vehicle
car body
head according
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PCT/EP2002/001354
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English (en)
French (fr)
Inventor
Alexander Rudolf
Raimund Siegert
Original Assignee
Bombardier Transportation Gmbh
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61D—BODY DETAILS OR KINDS OF RAILWAY VEHICLES
    • B61D17/00—Construction details of vehicle bodies
    • B61D17/02—Construction details of vehicle bodies reducing air resistance by modifying contour ; Constructional features for fast vehicles sustaining sudden variations of atmospheric pressure, e.g. when crossing in tunnels
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T30/00—Transportation of goods or passengers via railways, e.g. energy recovery or reducing air resistance

Definitions

  • the invention relates to a vehicle head on a car body, in particular for a high-speed rail vehicle with a cross section which is essentially tapered towards a tip of the vehicle head.
  • Vehicle heads of the type mentioned are known, for example, from activity report 99, Deutsche Bahn AG, Research and Technology Center, p. 79, where starting from a
  • ICE 1 and ICE 2 Basic configuration (ICE 1 and ICE 2 as reference object) the influence of various head geometry parameters on cross wind sensitivity is investigated generically.
  • the roof curvature, length and width of the head, ground clearance and vehicle height are considered to be influencing variables to be varied.
  • the well-known head shape variants among which there are very elongated, duckbill-shaped, iron-shaped and simply more or less steeply flat beveled towing lugs, have in common that their tips are arranged in the floor area or the lower half or the lower third of the vehicle front. In these known vehicle heads, it can be observed that the downward pressure of the vehicle on the contact surface drops with increasing speed.
  • the effect of the downforce which decreases with increasing driving speed, causes, for example, rail vehicles of modern high-speed traffic, such as the ICE3, the TGV, the Shinkansen or the Talgo, a safety-impairing cross-wind sensitivity of the vehicle in front.
  • rail vehicles of modern high-speed traffic such as the ICE3, the TGV, the Shinkansen or the Talgo
  • a safety-impairing cross-wind sensitivity of the vehicle in front To ensure the necessary driving stability, extensive measures must be taken, such as the provision of weight deposits of around 6 - 9 t of lead in the first car (see ICE2 control car) or the installation of windbreak fences on the track side in wind-prone areas.
  • the invention is therefore based on the object of providing a vehicle head of the type mentioned in the introduction, in which the sensitivity to lateral accelerations at high driving speeds is reduced.
  • the object is achieved according to the invention by a vehicle head according to the preamble of claim 1, in which the tip is arranged in the upper half of the clearance profile of the car body.
  • the air flow to be displaced by the clearance space profile of the car body is divided by the tip as the foremost point of the vehicle head and displaced in accordance with the subsequent shape of the outer skin of the car body until the air mass is removed from the clearance space profile of the car body.
  • Their displacement is accompanied by an acceleration of the air mass, which determines the pressure acting on the outer skin of the vehicle head.
  • the tip of the vehicle head according to the invention is arranged in the upper half of the clearance profile, the flow is accelerated below the tip, so that the pressure drops there, while above the tip the flow is accelerated only slightly, so that there is virtually atmospheric pressure. With increasing speed, the tip is therefore pressed down, whereby the vertical contact force in the direction of the rail increases with increasing driving speed and thus also the stability against lateral accelerations, which result, for example, from cornering or side wind influences.
  • the vehicle head according to the invention can advantageously also be used for magnetic and magnetic levitation trains and for road vehicles in high-speed traffic.
  • the tip is arranged in the upper third or in the upper quarter of the clearance profile of the car body.
  • a vertical flow divider is arranged by means of suitable measures for diverting the air flow to the side in the present case between at least two concave channels which begin as immediately as possible below the tip and lead down to an outer side of the car body.
  • the flow divider separates the air flow displaced below the tip into at least two partial flows, which are guided laterally along the channel side surfaces into the floor area of the car body.
  • the flow divider in the floor area of the vehicle head preferably at least largely merges into a plow-shaped spoiler.
  • the spoiler thus forms the lower half-shell in the lateral end region of the channels and thus contributes to the flow guidance.
  • the spoiler clears obstacles on the track side and thus increases safety when operating the vehicle.
  • the tip of the vehicle head slightly asymmetrically to the vertical longitudinal center plane, preferably by values between 2% and 25% the vehicle width, in particular between 2% and 10%.
  • the vehicle head is formed symmetrically to the longitudinal center plane of the vehicle. This avoids the occurrence of uneven force distributions based on one-sided wheel loads or other inflow influences.
  • FIG. 1 shows a vehicle head according to the invention in a side view
  • FIG. 2 shows the vehicle head from FIG. 1 in a front view.
  • an aerodynamically designed vehicle head 1 is molded onto the front end of a body 2 of a rail vehicle, for example a high-speed train.
  • the car body 2 is supported on at least one running gear 4 having rail wheels 3.
  • the undercarriage 4 can be designed, for example, as a driven bogie which enables a rotary movement between the car body 2 and the track-bound undercarriage 4.
  • the clearance profile q as the maximum cross section of the body 2 extends in the exemplary embodiment to just before the chassis 4, where the tapering vehicle head 1 connects to the aerodynamically rounded tip 5 as the foremost point of the body 2, at which the cross section of the body 2 is completely constricted.
  • contour lines q, d, c, b, and a of the outer skin of the car body 2 are shown in FIG. 2, which show the vertical cross-section lines QQ, DD, CC, BB, AA from FIG. 1, distributed over the length of the vehicle head correspond.
  • surface areas E and F of the outer skin of the car body 2 are shown hatched in FIG. 1 and accordingly in FIG. 2.
  • E denotes a surface area that begins above the tip 5
  • F denotes a surface area below the tip 5.
  • the contour lines q, d, c, b and a essentially follow smaller nested semicircular arches with lower chord lines which are deformed approximately kidney-shaped by the shape of a flow divider 6 and are self-contained.
  • the tip 5 lies in the individual semicircular arches, with the upper vertices of the semicircular arches being less distant from one another in the vertical direction than the lower kidney-shaped chord lines of the semicircular arches extending in the horizontal direction.
  • the flow divider 6 is arranged longitudinally below the tip 5 and has a concave shape along a vertical line and a convex shape along a horizontal line.
  • the air flow forced below the tip 5 divides into two partial flows, which are guided along two concave channels 7 obliquely downwards and backwards to a lateral outer side 8 or 8 'of the car body 2.
  • the flow channels 7 each lead the air flow to one of the outer sides 8, 8 'and thus prevent the air from jamming in the lower region of the vehicle head 1 and getting under the body 2.
  • the plow-shaped spoiler 9 in the floor area of the vehicle head 1 also contributes to this, which merges upwards in the middle into the flow divider 6 and laterally forms the lower half-shell of the flow channels 7.
  • the spoiler 9 peels a part out of the air mass to be displaced by the vehicle as close as possible to the ground and discharges the air laterally via the channels 7.
  • the plow-shaped spoiler 9 also clears away obstacles on the route, for example to prevent derailment.
  • the vehicle head 1 is symmetrical to the vertical longitudinal longitudinal plane 10 of the vehicle and is predominantly convex, the paraboloid-shaped tip 5 being arranged in the upper fifth of the clearance profile q of the body 2. This will achieved according to the invention that the air flow below the tip 5 is accelerated more than above the tip 5, which acts on the tip 5 an increasing with increasing driving speed, downward directed output.
  • the tip 5 is the point furthest from the center of the body at the free end of the outer contour of the body 2.

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  • Mechanical Engineering (AREA)
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Abstract

Ein Fahrzeugkopf (1) an einem Wagenkasten (2), insbesondere für ein Hochgeschwindigkeits-Schienenfahrzeug wird zur Verbesserung der aerodynamischen Eigenschaften dergestalt ausgebildet, daß sich der Querschnitt zu einer Spitze (5) des Fahrzeugkopfes (1) hin im Wesentlichen verjüngt. Die Spitze (5) wird in der obere Hälften des Lichtraumprofils des Wagenkastens (2) angeordnet.

Description

Fahrzeugkopf
Die Erfindung bezieht sich auf einen Fahrzeugkopf an einem Wagenkasten, insbesondere für ein Hochgeschwindigkeits-Schienenfahrzeug mit einem zu einer Spitze des Fahrzeugkopfes hin im Wesentlichen verjüngend ausgebildeten Querschnitt.
Fahrzeugköpfe der genannten Art sind bspw. bekannt aus dem Tätigkeitsbericht 99, Deutsche Bahn AG, Forschungs- und Technologie-Zentrum, S. 79, wo ausgehend von einer
Grundkonfiguration (ICE 1 und ICE 2 als Referenzobjekt) der Einfluß verschiedener Parameter der Kopfgeometrie auf die Seitenwindempfindlichkeit generisch untersucht wird. Dabei werden als zu variierende Einflußgrößen die Dachwölbung, Länge und Breite des Kopfes, die Bodenfreiheit und die Fahrzeughöhe angesehen. Den bekannten Kopfformvarianten, unter denen sich sehr langgestreckte, entenschnabelförmige, bügeleisenförmige und einfach mehr oder weniger steil flach unten abgeschrägte Zugnasen befinden, ist gemein, daß deren Spitzen im Bodenbereich oder der unteren Hälfte bzw. dem unteren Drittel der Fahrzeugfront angeordnet sind. Bei diesen bekannten Fahrzeugköpfen ist zu beobachten, daß die nach unten gerichtete Anpreßkraft des Fahrzeug auf die Aufstandsebene mit wachsender Geschwindigkeit sinkt. Der Effekt des mit zunehmender Fahrgeschwindigkeit sinkenden Abtriebs verursacht bspw. bei Schienenfahrzeugen des modernen Hochgeschwindigkeitsverkehrs, wie dem ICE3, dem TGV, dem Shinkansen oder dem Talgo, eine Sicherheitsbeeinträchtigende Seitenwindempfindlichkeit des voranfahrenden Wagens. Zur Gewährleistung der erforderlichen Fahrstabilität müssen daher aufwendige Maßnahmen getroffen werden, wie etwa das Vorsehen von Gewichtseinlagen von etwa 6 - 9 t Blei in den ersten Wagen (siehe ICE2-Steuerwagen) oder das streckenseitige Aufstellen von Windschutzzäunen in windgefährdeten Gebieten.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Fahrzeugkopf der eingangs genannten Art bereitzustellen, bei dem die Empfindlichkeit gegen Querbeschleunigungen bei hohen Fahrgeschwindigkeiten reduziert ist. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Fahrzeugkopf gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 , bei dem die Spitze in der oberen Hälfte des Lichtraumprofils des Wagenkastens angeordnet ist. Der durch das Lichtraumprofil des Wagenkastens zu verdrängende Luftstrom-wird durch die Spitze als vordersten Punkt des Fahrzeugkopfes geteilt und entsprechend der nachfolgenden Form der Außenhaut des Wagenkastens verdrängt bis die Luftmasse aus dem Lichtraumprofil des Wagenkastens geschafft ist. Mit ihrer Verdrängung geht eine Beschleunigung der Luftmasse einher, die den auf die Außenhaut des Fahrzeugkopfes wirkenden Druck bestimmt. Indem die Spitze des erfindungsgemäßen Fahrzeugkopfes in der oberen Hälfte des Lichtraumsprofils angeordnet ist, ist die Strömungs unterhalb der Spitze beschleunigt, so daß dort der Druck sinkt, während oberhalb der Spitze die Strömung nur wenig beschleunigt wird, so daß dort quasi Atmosphärendruck herrscht. Mit steigender Geschwindigkeit wird daher die Spitze nach unten gedrückt, wodurch die vertikale Anpreßkraft in Richtung Schiene mit steigender Fahrgeschwindigkeit zunimmt und so auch die Stabilität gegen Querbeschleunigungen, die z.B. von Kurvenfahrten oder Seitenwindeinflüssen herrühren erhöht wird. Der erfindungsgemäße Fahrzeugkopf ist in vorteilhafter Weise auch für Magnet- und Magnetschwebebahnen sowie für Straßenfahrzeuge im Hochgeschwindigkeitsverkehr einsetzbar.
In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ist die Spitze im oberen Drittel oder im oberen Viertel des Lichtraumprofils des Wagenkastens angeordnet. Dadurch kann der oben beschriebene Effekt der Abtriebserhöhung bei steigenden Fahrgeschwindigkeiten noch gesteigert werden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist durch geeignete Maßnahmen zur Ableitung des Luftstromes auf die Seite vorliegend zwischen mindestens zwei konkaven, möglichst unmittelbar unterhalb der Spitze beginnenden und nach unten an je eine Außenseite des Wagenkastens führenden Rinnen ein vertikaler Strömungsteiler angeordnet. Der Strömungsteiler separiert den unterhalb der Spitze verdrängten Luftstrom in wenigstens zwei Teilströme, die entlang der Rinnenseitenflächen seitlich in den Bodenbereich des Wagenkastens geführt werden. Vorzugsweise geht der Strömungsteiler im Bodenbereich des Fahrzeugkopfes zumindest weitgehend in einen pflugförmigen Spoiler über. Der Spoiler bildet somit im seitlichen Endbereich der Rinnen deren untere Halbschale und trägt so zur Strömungsführung mit bei. Außerdem räumt der Spoiler streckenseitige Hindernisse auf die Seite und erhöht somit die Sicherheit beim Betrieb des Fahrzeugs.
Wenn es dabei zu Interaktionen mit fahrbahnseitigen Bauwerken, wie Tunnel oder Wänden, oder auch mit Gegenverkehr kommt, kann es von Vorteil sein, die Spitze des Fahrzeugkopfes geringfügig asymmetrisch zur senkrechten Fahrzeug-Längsmitteneben anzuordnen, und zwar vorzugsweise um Werte zwischen 2% und 25% der Fahrzeugbreite, insbesondere zwischen 2% und 10%.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Fahrzeugkopf symmetrisch zur Fahrzeug- Längsmittenebene ausgebildet. Hierdurch wird vermieden, daß auf einseitigen Radlasten oder sonstigen Aufströmungseinflüsse beruhende ungleichmäßige Kräfteverteilungen auftreten.
Die Erfindung wird im Folgenden durch ein in den Zeichnungen dargestelltes Ausführungsbeispiel erläutert und zwar zeigt
Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Fahrzeugkopf in Seitenansicht und Fig. 2 den Fahrzeugkopf aus Figur 1 in Frontansicht.
Gemäß Figur 1 ist ein aerodynamisch gestalteter Fahrzeugkopf 1 am vorderen Ende eines Wagenkastens 2 eines Schienenfahrzeugs, bspw. eines Hochgeschwindigkeitzuges, angeformt. Der Wagenkasten 2 ist auf mindestens einem Schienenräder 3 aufweisenden Fahrwerk 4 abgestützt. Das Fahrwerk 4 kann bspw. als angetriebenes Drehgestell ausgebildet sein, das eine Drehbewegung zwischen dem Wagenkasten 2 und dem spurgebundenen Fahrwerk 4 ermöglicht. Das Lichtraumprofil q als maximaler Querschnitt des Wagenkastens 2 erstreckt sich im Ausführungsbeispiel bis kurz vor das Fahrwerk 4, wo der sich verjüngende Fahrzeugkopf 1 anschließt bis zur aerodynamisch gerundeten Spitze 5 als vorderster Punkt des Wagenkastens 2, an dem der Querschnitt des Wagenkastens 2 völlig zusammenschnürt. Zur Verdeutlichung der Kopfform sind in Fig. 2 Konturlinien q, d, c, b, und a der Außenhaut des Wagenkastens 2 dargestellt, die den senkrechten, über die Länge des Fahrzeugkopfes verteilten Querschnittlinien Q-Q, D-D, C-C, B-B, A-A aus Figur 1 entsprechen. Zur weiteren Verdeutlichung der Raumform des Fahrzeugkopfes 1 sind Flächenbereiche E und F der Außenhaut des Wagenkastens 2 in Figur 1 und entsprechend in Figur 2 schraffiert dargestellt. Dabei bezeichnet E einen Flächenbereich, der oberhalb der Spitze 5 beginnt, während F einen Flächenbereich unterhalb der Spitze 5 bezeichnet. Die Konturlinien q, d, c, b und a folgen im Wesentlichen kleiner werdenden ineinandergeschachtelten Halbkreisbögen mit unteren Sehnenlinien, die durch die Gestalt eines Strömungsteilers 6 etwa nierenförmig deformiert und in sich geschlossen sind. In horizontaler Projektion liegt die Spitze 5 in den einzelnen Halbkreisbögen, wobei in waagerechter Projektion die oberen Scheitelpunkte des Halbkreisbögen in vertikaler Richtung einen geringeren gegenseitigen Abstand von einander aufweisen als die unteren, in horizontaler Richtung verlaufenden nierenförmig deformierten Sehnenlinien der Halbkreisbögen. Der Strömungsteiler 6 ist längsmittig unterhalb der Spitze 5 angeordnet und weist längs einer vertikalen Linie eine konkave und längs einer horizontalen Linie eine konvexe Form auf. An dem Strömungsteiler 6 teilt sich der unterhalb der Spitze 5 gedrängte Luftstrom in zwei Teilströme, die entlang zweier konkaver Rinnen 7 schräg nach unten und hinten an je eine seitliche Außenseite 8 bzw. 8' des Wagenkastens 2 geführt werden. Die Strömungsrinnen 7 führen den Luftstrom je zu einer der Außenseiten 8, 8' und vermeiden damit, daß die Luft sich im unteren Bereich des Fahrzeugkopfes 1 staut und unter den Wagenkasten 2 gerät. Dazu trägt auch der pflugförmige Spoiler 9 im Bodenbereich des Fahrzeugkopfes 1 bei, der nach oben mittig in den Strömungsteiler 6 übergeht und seitlich die untere Halbschale der Strömungsrinnen 7 bildet. Der Spoiler 9 schält aus der vom Fahrzeug zu verdrängenden Luftmasse einen Teil möglichst knapp über dem Boden heraus und leitet die Luft seitlich über die Rinnen 7 ab. Neben der Strömungsführung übernimmt der pflugförmige Spoiler 9 auch das Wegräumen von auf der Strecke befindlichen Hindernissen, um bspw. ein Entgleisen zu verhindern. Der Fahrzeugkopf 1 ist symmetrisch zur vertikalen Fahrzeug- Längsmittenebene 10 und überwiegend konvex ausgebildet, wobei die paraboloidförmige Spitze 5 im oberen Fünftel des Lichtraumprofils q des Wagenkastens 2 angeordnet ist. Dadurch wird erfindungsgemäß erreicht, daß der Luftstrom unterhalb der Spitze 5 insgesamt stärker beschleunigt wird als oberhalb der Spitze 5, wodurch auf die Spitze 5 ein mit zunehmender Fahrgeschwindigkeit steigender, nach unten gerichteter Abtrieb wirkt. Hierdurch wird die Aufstandskraft der Schienenräder 3 auf die nicht dargestellten Schienen bei erhöhten Fahrgeschwindigkeiten gesteigert, so daß das Schienenfahrzeug insgesamt weniger seitenwindempfindlich und sicher gegen Entgleisen ist. Die Spitze 5 ist der am weitesten von der Wagenkastenmitte entfernte Punkt am freien Ende der Außenkontur des Wagenkastens 2.
Bezugszeichen-Liste
1 Fahrzeugkopf
2 Wagenkasten 3 Schienenrad
4 Fahrwerk
5 Spitze q Konturlinie des Lichtraumprofils a Konturlinie des Längsschnitts A-A b Konturlinie des Längsschnitts B-B c Konturlinie des Längsschnitts C-C d Konturlinie des Längsschnitts D-D
E Flächenbereich beginnend oberhalb 5
F Flächenbereich beginnend unterhalb 5 6 Strömungsteiler
7 Rinnen
8 Außenseite 8' Außenseite
9 Spoiler 10 Fahrzeug-Längsmittenebene

Claims

Schutzrechtsansprüche
1 . Fahrzeugkopf an einem Wagenkasten (2), insbesondere für ein Hochgeschwindigkeitsschienenfahrzeug, mit einem zur Spitze (5) des Fahrzeugkopfes (1 ) hin im Wesentlichen
5 verjüngend ausgebildeten Querschnitt (q, d, c, b, a), dadurch gekennzeichnet, daß die Spitze (5) in der oberen Hälfte des Lichtraumprofils (q) des Wagenkastens (2) angeordnet ist.
2. Fahrzeugkopf nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Spitze (5) im oberen Drittel des Lichtraumprofils (q) des Wagenkastens (2) angeordnet ist. ι0
3. Schienenfahrzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spitze (5) im oberen Viertel des Lichtraumprofils (q) des Wagenkastens (2) angeordnet ist.
4. Fahrzeugkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen zwei 15 konkaven, mittig unterhalb der Spitze (5) beginnenden und nach unten an je eine Außenseite (8,
8') des Wagenkastens (2) führende Rinnen (7) ein vertikaler Strömungsteiler (6) angeordnet ist.
5. Fahrzeugkopf nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsteiler (6) im Bodenbereich des Fahrzeugkopfes (1 ) in einen pflugförmigen Spoiler (9) übergeht. 0
6. Fahrzeugkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Fahrzeugkopf (1 ) zumindest weitgehend symmetrisch zur Fahrzeug-Längsmittenebene (10) ausgebildet ist.
5 7. Fahrzeugkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der
Fahrzeugkopf halbkreisförmige Querschnitte (b, c, d, g) aufweist, die zur Spitze (5) hin kleiner werden und ineinander geschachtelt sind.
8. Fahrzeugkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in horizontaler 0 Projektion die Spitze (5) in den einzelnen Halbkreisbögen (a, b, c, d, q) liegt.
9. Fahrzeugkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Spitze (5) des Fahrzeugkopfes (1 ) um Werte zwischen 2% und 25% seitlich zur senkrechten Fahrzeug- Mittenebene (10) versetzt angeordnet ist.
PCT/EP2002/001354 2001-02-09 2002-02-08 Fahrzeugkopf WO2002064412A1 (de)

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